AFE

Основы измерения тока: Токоизмерительные резисторы. Часть 1

Начинаем публикацию статьи, в которой рассматриваются недооцененные особенности при измерении тока. В первой части статьи обсуждаются общие настройки, выбор и реализация токоизмерительного резистора
2209
В избранное

Начинаем публикацию статьи, состоящей из трех частей, в которой рассматриваются недооцениваемые особенности чувствительности при измерении тока. В первой части статьи обсуждаются общие настройки, выбор и реализация токоизмерительного резистора. Во второй части будут рассматриваться действующие совместно схемы, такие как необходимый аналоговый усилительный интерфейс (analog front-end (AFE)) и измерительный усилитель. В третьей части обсуждается использование усилителей при измерении тока в тех случаях, когда нагрузка находится под более высокими напряжениями.

Основы измерения тока

Сила тока является одним из наиболее распространенных параметров, используемых для оценки, контроля и диагностики эффективности работы электронных систем. Поскольку это широко распространенное измерение, разработчики часто сталкиваются с проблемами, если недооценивают особенности точного измерения силы тока.

Наиболее распространенным чувствительным элементом, используемым для регистрации тока, является прецизионный низкоомный резистор, устанавливаемый в разрыв цепи тока. На этом резисторе, обычно называемом шунтом, создается падение напряжения, пропорциональное проходящему через него току. Поскольку шунтовый резистор не должен оказывать существенного влияния на ток, он часто имеет довольно маленькое номинальное сопротивление, порядка нескольких миллиом или долей миллиом. В результате падающее на шунтовом резисторе напряжение также довольно маленькое и часто требует усиления перед преобразованием с помощью АЦП.

Таким образом, общая конфигурация сигнальной цепи для контроля тока включает аналоговый усилитель (AFE) падающего на шунтовом резисторе напряжения, АЦП для преобразования усиленного напряжения в цифровое представление и системный контроллер (рис. 1).

 Самый простой способ измерения протекающего тока связан с использованием шунтового резистора (крайний слева)

Рис. 1. Самый простой способ измерения протекающего тока связан с использованием шунтового резистора (крайний слева), на котором падает напряжение, пропорциональное протекающему через него току. Усилитель AFE усиливает низкое напряжение на шунтовом резисторе, чтобы использовать полный диапазон измерений АЦП. 

В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или специализированный токовый усилитель, который преобразует небольшое, падающее на шунтовом резисторе дифференциальное напряжение, в повышенное выходное напряжение, которое использует в АЦП полный измерительный диапазон. АЦП, который может быть автономным устройством или встроенным блоком в микроконтроллере или системе на кристалле (SoC), оцифровывает сигнал напряжения и передает полученную информацию управляющему процессору. Системный контроллер использует оцифрованное измерение силы тока, чтобы оптимизировать характеристики системы или внедрить протоколы безопасности, чтобы предотвратить повреждение системы, если ток превышает заданный предел.

Поскольку для преобразования тока в напряжение использован сенсорный компонент в цепи, все физические характеристики резистора (сопротивление, допуск величины, мощность, тепловой коэффициент и тепловая ЭДС) влияют на точность. Следовательно, выбор подходящего шунтового резистора имеет решающее значение для оптимизации измерения тока.

Величина шунтового резистора и падающее на нем напряжение оказывают воздействие на систему. Например, шунтовый резистор со слишком большим сопротивлением может вызвать ненужные потери и понизить напряжение на нагрузке.

Например, при измерении тока, протекающего через обмотку двигателя, пониженное напряжение уменьшает доступную для двигателя электрическую мощность, влияет на его эффективность и/или крутящий момент. Кроме того, большие токи (десятки или сотни ампер), протекающие через шунтовый резистор, приводят к тому, что на резисторе рассеивается значительная энергия в виде выделяемого тепла, понижая точность и эффективность измерения. По этим причинам сопротивление шунта должно быть как можно меньше.

Выбор шунтового резистора для измерения тока

Тот факт, что на шунтовых резисторах рассеивается мощность при протекании через них тока нагрузки, требует минимального значения их сопротивления. Кроме того, для стабильности измерения токоизмерительные резисторы также должны иметь очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Малый ТКС приведет к высокой точности измерения при низкой зависимости от температуры.

Тепловая ЭДС токочувствительного резистора является еще одной важной характеристикой. Токовые шунтовые резисторы должны работать в широком диапазоне токов. Когда ток низкий, например, в приборе с батарейным питанием в режиме сна или ожидания, тепловая ЭДС шунта добавляет измерительную ошибку к напряжению, создаваемому протекающим через резистор током. Это напряжение ошибки должно быть значительно меньше, чем наименьшее ожидаемое напряжение, создаваемое протекающим через шунтовый резистор током, сводя к минимуму ошибку измерения.

Шунтовые резисторы для датчиков тока доступны с двумя или четырьмя контактами. Шунтовый резистор с двумя контактами является наиболее простым случаем для понимания, поскольку он работает так же, как и любой двухконтактный резистор. При протекании тока через двухконтактный шунтовый резистор на его контактах появляется напряжение, пропорциональное протекающему через него току.

Примерами двухконтактных шунтовых резисторов является серия шунтовых резисторов Bourns CSS2 и серия шунтовых резисторов Vishay WSLP. Серия Bourns CSS2 включает шунтовые резисторы с номинальной мощностью от 2 до 15 Вт, сопротивлением от 0,2 до 5 мОм и с максимальным диапазоном тока от 140 до 273 ампер. Типичный резистор из этих серий, CSS2H-2512R-L500F, поставляется в корпусе для поверхностного монтажа 2512, имеет сопротивление 0,5 мОм и номинальную мощность 6 Вт.

Семейство шунтовых резисторов Vishay WSLP включает устройства в нескольких типах корпусов для поверхностного монтажа в диапазоне размеров от 0603 до 2512, с допустимой мощностью от 0,4 до 3 Вт, с сопротивлениями от 0,5 мОм до 0,1 Ом, при допуске 0,5% или 1%. Типичным шунтовым токовым резистором Vishay является WSLP1206R0200FEA, который поставляется в корпусе 1206 с сопротивлением 20 мОм, допуском 1% и номинальной мощностью 1 Вт.

Обратите внимание, что эти токовые шунтовые резисторы для поверхностного монтажа (SMD) имеют незначительные размеры и занимают очень мало места на плате, но поскольку они могут рассеивать значительное количество тепла, их следует размещать достаточно далеко от чувствительных к нагреву компонентов.

Три сопротивления в одном шунтовом резисторе

Несмотря на их внешний вид, современные шунтовые резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление шунтового резистора фактически состоит из трех частей (рис. 2). Во-первых, есть сопротивление самого шунтового резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к шунтовому резистору. Обычно сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами шунтовые резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях шунтового резистора.

Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора  (Rshunt), сопротивление двух выводов резистора (Rlead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока. 

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному шунтовому резистору (рис. 3).

Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы

Рис. 3. Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы. Пример изображения двухконтактных токовых шунтовых резисторов показан справа.

В этой конфигурации ток, протекающий через резистор токового шунта, проходит через широкие подводящие дорожки на печатной плате. Гораздо более узкие дорожки, которые  находятся не в основном канале протекающего тока, но расположены непосредственно рядом с резистивным элементом шунтового резистора, снимают падающее на нем напряжение и передают его на вход AFE. Разделение токоведущих и токочувствительных контактов характеризует соединение Кельвина.

Полученное в результате схематическое представление соединения Кельвина с использованием двухконтактного шунтирующего резистора показано на рис. 4.

Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Рис. 4. Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Очень малый ток протекает через два токочувствительных резистора (Rsense), показанных на рис. 4, потому что они подключены к имеющим высокий импеданс входам усилителя либо АЦП, что делает их сопротивления намного менее критичными, чем значения сопротивления выводов, через которые протекает большой ток шунтового резистора. Следовательно, падение напряжения на резисторах Rsense довольно небольшое и не является значительным источником ошибки при измерении тока.

Что лучше, два вывода или четыре?

Как видно из монтажной схемы печатной платы на рис. 3, невозможно полностью исключить сопротивления выводов в двухконтактном шунтовом резисторе даже при использовании соединения Кельвина. Должен быть определен некоторый допуск для размещения печатной площадки, чтобы учесть ошибку позиционирования, когда шунтовый резистор устанавливается для впаивания на печатную плату.

Кроме того, ТКС медных дорожек печатной платы (3900 м.д. (миллионных долей)/ ?C) намного выше, чем ТКС резистивного элемента шунтового резистора (часто менее 50 м.д./ ?C).  Эти параметрические различия приводят к тому, что изменение сопротивления в дорожках печатной платы намного больше, чем в токочувствительном резисторе, что дает более высокую температурную зависимость токочувствительной цепи.

При использовании двухконтактного шунтового резистора с соединением Кельвина, часто уровень точности для чувствительности по току может оказаться недостаточным во многих случаях с очень высоким током. Для таких случаев производители предлагают шунтовые резисторы с четырьмя контактами, в которых соединение Кельвина реализовано внутри резистора. Таким образом, производитель может полностью контролировать все допуски и температурные коэффициенты, относящиеся к соединению Кельвина (рис. 5).

Четырехконтактный шунтовый резистор обеспечивает высокоточное соединение Кельвина с токочувствительными соединениями, расположенными рядом с шунтовым резистором High Current Trace – Цепь для мощного тока
Current Sensing Trace – Токочувствительная цепь
Current Sensing Resistor – Токочувствительный резистор
Copper Trace – Медная дорожка
Рис. 5. Четырехконтактный шунтовый резистор обеспечивает высокоточное соединение Кельвина с токочувствительными соединениями, расположенными рядом с шунтовым резистором. Пример изображения токового четырех контактного шунтового резистора представлен справа.

Токочувствительный резистор с четырьмя контактами, использующий соединение Кельвина, имеет отдельные выводы для протекающего через резистор большого тока и для измерения напряжения, что помогает повысить точность измерений. Кроме того, использование четырехконтактного шунтового резистора с соответствующим соединением Кельвина снижает влияние ТКС, обеспечивая улучшенную температурную стабильность, по сравнению с двухконтактным шунтовым резистором, использующим компоновку печатной платы для реализации соединения Кельвина.

Bourns предлагает несколько четырехконтактных шунтовых резисторов из серии для поверхностного монтажа CSS4 (рис. 6).

Шунтовые резисторы Bourns CSS4 для поверхностного монтажа используют четырехконтактное соединение Кельвина для максимальной точности измерения тока.

Рис. 6. Шунтовые резисторы Bourns CSS4 для поверхностного монтажа используют четырехконтактное соединение Кельвина для максимальной точности измерения тока.

В состав серии Bourns CSS4 входят шунтовые резисторы CSS4J-4026R-L500F 0,5 мОм, 1%, 5 Вт, и  CSS4J-4026K-2L00F 2 мОм, 1%, 4 Вт. Оба эти шунта имеют низкий ТКС, низкую тепловую ЭДС и занимают на плате площадку не более 10 мм × 7 мм.

Заключение

Первым шагом в процессе измерения тока является преобразование электрического тока в более легко измеряемый параметр – напряжение. Токовые шунтовые резисторы являются недорогими компонентами, которые выполняют эту задачу. Однако, как показано в статье, номинальное значение шунтового резистора должно быть низким, чтобы минимизировать его влияние на цепь и рассеиваемую мощность на самом резисторе.

К другим важным параметрам для токовых шунтовых резисторов относятся ТКС и тепловая ЭДС, которые могут значительно повлиять на точность измерения тока.

Наконец, для того, чтобы максимизировать точность измерения, крайне важно не допустить ограничения силы тока, протекающего через шунт, минуя токочувствительный тракт либо с помощью специальной компоновки печатной платы, которая создает соединение Кельвина для двухконтактного шунта, либо с помощью четырехконтактного шунтового резистора.

Поскольку низкое значение сопротивления подразумевает, что падение напряжения на токочувствительном резисторе будет небольшим, во второй части этой статьи будут обсуждаться соображения по проектированию AFE, который усиливает низкое напряжение, упрощая процесс измерения с помощью АЦП.

Журнал: Источник
Производитель: Vishay Intertechnology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
WSLP0805R0200FEA
WSLP0805R0200FEA
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 882020 ИНФО PDF
Поиск
предложений
METAL STRIP RESISTOR, 0.02 OHM, 500mW, 805, 1%
WSLP0805R0200FEA
-
Поиск
предложений
WSLP1206R0200FEA
WSLP1206R0200FEA
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 1021445 ИНФО PDF
Поиск
предложений
WIREWOUND RESISTOR, 0.02 OHM, 1W, 1%, FULL REEL
WSLP1206R0200FEA
-
Поиск
предложений
WSLP1206R0300FEA
WSLP1206R0300FEA
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 1040303 ИНФО PDF
Поиск
предложений
CURRENT SENSE RESISTOR, 0.03 OHM, 1W, 1%
WSLP1206R0300FEA
-
Поиск
предложений
WSLP0805R0100FEA18
WSLP0805R0100FEA18
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 2533591 ИНФО PDF
Поиск
предложений
RES, 0R01, 1%, 0805, METAL STRIP
WSLP0805R0100FEA18
-
Поиск
предложений
WSLP12061L000FEA
WSLP12061L000FEA
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 2584181 ИНФО PDF
Поиск
предложений
CURRENT SENSE RES, 0R001, 1%, 1 W, 1206
WSLP12061L000FEA
-
Поиск
предложений
WSLP2726L5000FEA
WSLP2726L5000FEA
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 2737643 ИНФО PDF
Поиск
предложений
RES, METAL STRIP, 0.0005OHM, 1%, 2726
WSLP2726L5000FEA
-
Поиск
предложений
Производитель: Bourns GmbH.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CSS2H-2512K-2L00F
CSS2H-2512K-2L00F
Bourns GmbH.
Арт.: 2183048 ИНФО PDF
Доступно: 118 шт. от 1 шт. от 540,79
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R002, 2512
CSS2H-2512K-2L00F от 1 шт. от 540,79
118 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS2H-2512R-1L00F
CSS2H-2512R-1L00F
Bourns GmbH.
Арт.: 2215185 ИНФО PDF
Доступно: 771 шт. от 1 шт. от 83,14
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R001, 2512
CSS2H-2512R-1L00F от 1 шт. от 83,14
771 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS2H-2512R-L500F
CSS2H-2512R-L500F
Bourns GmbH.
Арт.: 2215186 ИНФО PDF
Доступно: 771 шт. от 1 шт. от 83,14
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R0005, 2512
CSS2H-2512R-L500F от 1 шт. от 83,14
771 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS4J-4026K-2L00F
CSS4J-4026K-2L00F
Bourns GmbH.
Арт.: 2215196 ИНФО PDF
Доступно: 93 шт. от 1 шт. от 684,27
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R002, 4026
CSS4J-4026K-2L00F от 1 шт. от 684,27
93 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS4J-4026R-1L00F
CSS4J-4026R-1L00F
Bourns GmbH.
Арт.: 2215198 ИНФО PDF
Доступно: 95 шт. от 1 шт. от 671,85
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R001, 4026
CSS4J-4026R-1L00F от 1 шт. от 671,85
95 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS4J-4026R-L500F
CSS4J-4026R-L500F
Bourns GmbH.
Арт.: 2215199 ИНФО PDF
Доступно: 510 шт. от 1 шт. от 671,85
Выбрать
условия
поставки
RES, CURRENT SENSE, 0R0005, 4026
CSS4J-4026R-L500F от 1 шт. от 671,85
510 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CSS2H-3920R-L200FE
CSS2H-3920R-L200FE
Bourns GmbH.
Арт.: 2287332 ИНФО
Доступно: 445 шт. от 1 шт. от 143,87
Выбрать
условия
поставки
CURRENT SENSE RES, 0R0002, 12W, 3921
CSS2H-3920R-L200FE от 1 шт. от 143,87
445 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()