Схема измерения тока через резистор

Компоненты для измерения тока

Измерение тока используется для контроля над разными параметрами, один из которых — мощность на нагрузке. Существует немало считывающих элементов для измерения тока через нагрузку. Их выбор диктуется потребностями каждого конкретного устройства, а также величиной измеряемого тока. Мы обсудим в этой статье три разных типа считывающих компонентов для измерения тока.

1. Шунтовые резисторы
Шунты и шунтовые резисторы — про­стейший вариант токочувствительных элементов. Необходимо лишь помнить о температурном коэффициенте сопро­тивления (ТКС) резистора и избегать его нагрева. Напомним эмпирическое правило выбора токочувствительного резистора: его максимально допусти­мая мощность должна не менее чем в два раза превышать рабочую мощность рассеивания.

Изменение температуры резистора в зависимости от величины протекающего через него тока прямо пропорциональ­но отношению номинальной мощности к рассеиваемой.

При выборе токочувствительно­го резистора необходимо учитывать тепловое сопротивление его кор­пуса. Этот параметр, представляющий собой тепловое сопротивление между резистором и его внешней поверхно­стью, является основным показателем, который определяет повышение тем­пературы резистора. В таблице пере­числены тепловые сопротивления стандартных корпусов для поверхност­ного монтажа.

Ширина проводника
При проектировании печатной платы необходимо, чтобы ее медные проводники выдержали максимальный ток, необходимый для устройства.
Для каж­дого устройства необходимо найти разумный компромисс между толщи­ной, шириной проводников и стоимо­стью.

Топология
Длина проводников между токо­измерительным резистором и измери­тельной схемой должна быть как можно меньше, чтобы уменьшить не только сопротивление проводника, но и его паразитные емкость и индуктивность, которые могут внести погрешность в показания быстроменяющегося тока.

Подключение сигнальных проводни­ков к токочувствительному резистору
Рекомендуется использовать токо­чувствительный резистор с четырьмя
выводами. Если по какой-либо при­чине применяются резисторы с двумя выводами, то сигнальная шина должна находиться под токочувствительным резистором в том месте, где он соединя­ется с контактной площадкой печатной платы.

Во многих случаях ширина токо­чувствительных резисторов меньше ширины токонесущих шин. Проводники соединяются с этими шинами под углом 45°, чтобы обеспечить равномерное про­текание тока.

Магнитные помехи
Величина генерируемого проводни­ком магнитного поля прямо пропорцио­нальна току через проводник и обратно пропорциональна расстоянию до точки измерения. Необходимо помнить, что сигналь­ные проводники с высоким импе­дансом не должны располагаться параллельно проводникам с большим током. Следует избегать пересечения проводников с большими токами. Если это невозможно по какой-то причине, рекомендуется располагать эти про­водники перпендикулярно друг другу и пересекать тот слой, который наибо­лее удален от сигнального проводника, чтобы ограничить влияние помех.

2. Схемы с активными сопротивлениями

Рассмотрим проектирование токо­чувствительных схем с активными сопротивлениями (direct current resistance, DCR), которые не вызывают дополнительных потерь на измери­тельной цепочке.

Как правило, схемы с активными сопротивлениями используются в низ­ковольтных устройствах, в которых падение напряжения на токочувстви­тельном резисторе составляет значи­тельную долю от величины напряжения питания, подаваемого на нагрузку.
Схема измерения тока с активным сопротивлением представляет собой альтернативу токочувствительным резисторам. В ней используется пара­зитное сопротивление индуктора для измерения тока нагрузки. Эта схема дистанционно измеряет ток через дроссель импульсной цепи регулято­ра. Благодаря отсутствию компонентов, установленных последовательно регулятору на нагрузке, схема работа­ет без потерь.
У правильно согласованной DCR-схемы эффективный импеданс со стороны АЦП равен сопротивлению индуктора. На рисунке представлена простая схема с активным сопротив­лением для измерения тока нагрузки понижающего импульсного преобразо­вателя.

Проектирование DCR-схемы, не оснащенной функцией регулировки, увеличивает погрешность измерений до 35%, что связано с разбросом значений индуктивности и емкости в этой схеме. В некоторых случаях погрешность измерений может увеличиваться до 50%. Но использование простой выравни­вающей схемы с энергонезависимыми цифровыми потенциометрами (digital potentiometers, DCP) существенно повы­шает точность измерения тока.

Итак, DCR-схемы не вносят потерь и занимают мало места на печатной плате. Поскольку эти решения требуют настройки для правильного функционирования, необходимы дополнительные меры при изготовлении устройств на их основе. Большие допуски на отклонения значений реактивных компонентов могут привести к большому разбросу значений между эффективными сопротивлениями схем. Большие температурные коэффициенты индукторов и конденсаторов увеличивают погрешность схемы. В целом, архитектуру схемы с активным сопротивлением можно считать хорошей для измерения больших токов.

3. Датчики Холла
Рассмотрим датчики Холла. Как правило, эти датчики, предназна­ченные для сильноточных устройств, определяют ток через проводник путем измерения индукции его маг­нитного поля. Поскольку измерение тока осуществляется дистанционно, считается, что датчики Холла работают без потерь. Эти устройства предназначены для систем с током выше 200 А, т.к. мощность, рассеиваемая токочув­ствительным резистором, достаточно велика.

Вам понравится:  Схема подключения фотоэлемента на светильник

На рисунке иллюстрируется базовая концепция метода измерения тока на основе эффекта Холла. В этой схеме ток через проводник опреде­ляется путем измерения индукции генерируемого им магнитного поля В. Величина поля прямо пропорциональ­на протекающему току и определяется его направлением.
Линейные датчики Холла являются активными схемами, потребляющими ток 3-10 мА. Уровень шума этих датчиков составляет около 25 мВ, или 5 Гс. Данные устройства не годятся для устройств с малыми токами или большими расстояниями между проводником и датчиком из-за большого шума и потребляемого тока.

Условия, в которых эксплуатируются сигнальный проводник и датчик, следует учитывать при измерении слабых магнитных полей. Линейные датчики Холла измеряют суммарное магнитное поле в месте нахождения самого датчика. Проводники с током, расположенные рядом с датчиком, изменяют величину измеряемого магнитного поля, ухудшая точность показаний. Датчик также реагирует на другие внешние магнитные поля, возникающие при переключении двигателя или любого другого генерирующего энергию устройства.

Для ограничения влияния внешних магнитных полей на датчики используется магнитный экран, который окружает проводник с током. На рисунке показан пример использования металлического кожуха (клетки Фарадея), экранирующего проводник и датчик.

Недавно на рынке появились датчики Холла с интегрированным проводящим каналом, цепью компенсации и защитным экраном. Интеграция проводящего канала в датчик облегчает расчет выходного сигнала в функции тока через проводник. Однокристальное решение упрощает схему устройства и разработку приложения по измерению тока с помощью датчика Холла.

Несмотря на то, что за последнее время конструкция датчиков на эффекте Холла была усовершенствована, их точность и защита от помех увеличились, применение этой технологии ограничено сильноточными устройствами. Датчики Холла рассеивают меньшую мощность, чем шунтовые резисторы.

Шунтовые резисторы — наиболее распространенные токочувствительные элементы благодаря простоте схемного решения и его стоимости, а также точности измерений. DCR-схемы предназначены для устройств с импульсными регуляторами и малыми регулируемыми выходными напряжениями благодаря дистанционному измерению тока. Наконец, датчики Холла предназначены для сильноточных устройств, поскольку рассеиваемая ими мощность меньше, чем у решений на основе шунтовых резисторов.

У каждого из трех рассмотренных решений имеются свои преимущества и недостатки. Из-за того, что шунтовые резисторы рассеивают мощность, энергоэффективность решений на основе этих компонентов сравнительно невелика. К тому же в устройствах с низким напряжением величина падения напряжения на токочувствительном резисторе может быть соизмерима с рабочим напряжением, что недопустимо. Работа схемы с использованием активного сопротивления (DCR) зависит от согласования конденсатора и индуктора. Оба компонента имеют большие допуски и высокие температурные коэффициенты. Датчик Холла восприимчив к окружающему шуму, и его применение осложняется недостатками схемы. Несмотря на усовершенствование этой технологии, до сих пор ограничивающим фактором на пути ее применения остается точность измерений.

Источник

Современные методы измерения силы тока

Сила тока — одна из основных электрических величин, необходимых для описания состояния цепи и обнаружения различных явлений и событий в электросхеме. Схемы, используемые для измерения этого значения, можно найти почти в каждом современном электрическом устройстве. Хотя измерение тока может показаться простым, при выполнении этого процесса необходимо учитывать множество нюансов. Давайте обсудим наиболее популярные современные методы проведения этого измерения.

Знание величины тока в цепи необходимо для правильной диагностики состояния устройства, контроля его работы и обнаружения многих важных изменений. Наиболее часто используемым измерительным элементом в процессе измерения выступает резистор с небольшим и точно измеряемым значением сопротивления, называемый шунтом. Шунт подключается последовательно к пути, для которого требуется измерить ток, протекающий через него. Сопротивление шунта вызывает падение напряжения в цепи за счет протекания по нему тока — на его выводах образуется разность потенциалов, которую можно измерить параллельно включенным вольтметром. Зная величину напряжения на контактах шунта и его сопротивление, можно рассчитать ток, протекающий в цепи, с помощью закона Ома.

Значение сопротивления шунта должно быть достаточно малым, чтобы не нарушать работу схемы, но в то же время должно привести к достаточно высокому остаточному напряжению, чтобы его можно было точно измерить. По этой причине во многих измерительных схемах напряжение на шунте перед обработкой усиливается. Типичное сопротивление шунта находится в диапазоне от микро- до миллиом. Вот упрощенная технология его расчёта и изготовления.

Типовая схема измерения тока состоит из аналоговой и цифровой частей

Вам понравится:  Собрать выключатель света для бра одноклавишный

Вот типовая схема измерителя силы тока — она часто состоит из аналоговой части (шунт с усилительной цепью) и цифровой (АЦП-преобразователь и схема управления). Аналоговая часть (AFE, Analog Front-End) содержит операционный или измерительный усилитель, что позволяет лучше подстроить величину сигнала под рабочий диапазон АЦП. Преобразователь АЦП, который может быть реализован как в виде отдельной интегральной микросхемы, так и в виде блока входящего в состав более крупной схемы, преобразует сигнал напряжения в цифровую форму, что позволяет выполнять его дальнейшую обработку.

Ключевым элементом схемы на тут выступает шунт — его физические свойства, такие как сопротивление, максимальная мощность или температурный коэффициент, сильно влияют на точность всего измерения. Поэтому выбор подходящей модели шунтирующего резистора важен для правильного выполнения измерения. Например, слишком высокое сопротивление шунта может привести к падению значения выходного напряжения ниже допустимого уровня, что приведет к снижению эффективности устройства. Кроме того, большая мощность, рассеиваемая на шунте, повысит его температуру, что дестабилизирует его рабочие параметры и ухудшит точность измерений. Именно по этой причине выгодно использовать шунтирующие резисторы с наименьшим возможным сопротивлением.

Выбор шунтирующего резистора

С учетом принципа действия он должен иметь очень низкое значение сопротивления, чтобы не нарушать работу проверяемой схемы. Кроме того, для стабильности и точности измерений, желательно иметь как можно более низкий коэффициент термостойкости. Этот параметр описывает значения сопротивления элемента в зависимости от его температуры – чем больше изменчивость, тем ниже точность измерения.

Другой важной характеристикой шунтирующего резистора является тепловой коэффициент ЭДС. На стыке соединений двух разных металлов создается электродвижущая сила порядка микровольт. Величина этой силы (и создаваемое ею напряжение) изменяется в зависимости от температуры. Эти изменения описываются тепловым коэффициентом (чаще всего выражают в мкВ/°С). Шунтирующие резисторы могут работать в широком диапазоне измерений — при измерении очень малых токов дополнительное напряжение, вызванное фактором ЭДС, может значительно исказить результаты.

На рынке можно найти шунтирующие резисторы с двумя или четырьмя контактами. Элементы с двумя выводами в принципе ничем не отличаются от обычных резисторов. В случае с четырьмя выводами два внешних используются для последовательного подключения к измеряемой цепи, а внутренняя пара предназначена для измерения напряжения (так называемое подключение по Кельвину).

Сопротивление шунтирующего резистора

Для того чтобы значение тока измерялось с удовлетворительной точностью следует отказаться от упрощенной модели состоящей из одного значения сопротивления, заменив ее более сложной, хотя и более реалистичной моделью, состоящей из трех последовательно соединенных сопротивлений. Это номинальное и двухкомпонентное сопротивление. В случае обычных резисторов сопротивления выводов имеют пренебрежимо малые значения, в случае шунтирующих, характеризующихся очень малыми значениями номинального сопротивления, эти дополнительные паразитные параметры вносят существенный вклад в работу, а игнорирование их влияния приводит к увеличению погрешности измерения.

Шунтирующий резистор с двумя выводами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений – сопротивления обоих выводов и самого шунтирующего сопротивления

Одним из способов минимизации этого вида погрешностей измерения является использование четырехточечного соединения с подведением к измерительному элементу отдельных пар цепей токовых и напряжения. Ток в цепи протекает по токоведущим путям. Пути напряжения, как можно более короткие и расположенные как можно ближе к выводам шунтирующего резистора, используются для считывания напряжения на этом элементе.

Четырехконтактный шунтирующий резистор

По цепям напряжения протекает очень низкий ток по сравнению с цепями тока — это связано с тем что цепи напряжения подключены к схеме измерения напряжения с высоким значением входного сопротивления. В результате общая погрешность измерения уменьшается.

Четырехточечное подключение к шунтирующему резистору с двумя выводами

Далее эквивалентная схема четырехточечного соединения. Такое решение позволяет не учитывать влияние сопротивления пути тока на результат измерения.

Эквивалентная схема четырехточечного соединения шунта

В случае шунтирующего резистора с двумя выводами полностью исключить влияние сопротивления выводов на результат измерения не удается. При этом температурный коэффициент сопротивления медных дорожек (около 3900 ppm/°C) значительно выше чем у резистивного элемента (обычно не более 50 ppm/°C).

То есть во многих случаях шунтирующий резистор с двумя выводами не способен обеспечить достаточную точность измерения, особенно в случае сильноточных цепей. В таких ситуациях хорошим выбором является шунтирующий резистор с 4 выводами.

Такой элемент имеет встроенное четырехточечное соединение – он оснащен парой клемм для измерения напряжения и парой для последовательного подключения к измеряемой цепи (токовые клеммы). Компоненты этого типа характеризуются также гораздо более высокой температурной стабильностью.

Вам понравится:  Провод на выключатель света сечение провода

Шунтирующий резистор с четырьмя выводами имеет встроенное четырехточечное соединение, позволяющее проводить более точное измерение

Обработка измерительного сигнала

Напряжение на шунтирующем резисторе необходимо обработать, чтобы можно было выполнить измерение. Типичный блок обработки измерительного сигнала состоит из схемы усилителя, преобразователя АЦП и логики. Из-за малой величины сопротивления на шунтирующем резисторе накладывается напряжение не превышающее сотен милливольт. Перед подачей этого сигнала на вход АЦП-преобразователя его необходимо соответствующим образом усилить до уровня, соответствующего рабочему диапазону преобразователя. Для этой цели чаще всего используют схемы на основе операционного или токоизмерительного усилителя. Последний тип элементов обеспечивает выходное напряжение пропорциональное величине тока, протекающего через его нагрузку.

Существует 2 основных способа подключения шунтирующего резистора к измеряемой цепи — со стороны низкого или высокого уровня. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки.

Измерение в конфигурации с низкой стороной. Измерение тока в конфигурации нижнего плеча заключается в размещении измерительного элемента между нагрузкой и землей. Этот тип решения довольно легко реализовать, поскольку напряжение на измерительном элементе измеряется по отношению к массе цепи. Усилитель работает с низкими значениями напряжения (порядка милливольт по отношению к массе схемы), что значительно упрощает подбор компонентов и снижает его стоимость.

Подключение измерительной цепи по схеме нижнего плеча

Основным недостатком этого метода является то, что нагрузка больше не связана напрямую с массой. Минусовой вывод нагрузки имеет потенциал на несколько сотен милливольт выше земли — эта разница примерно равна напряжению на шунтирующем резисторе. Отсутствие прямого соединения с землей может стать проблемой если в другом месте цепи произойдет короткое замыкание, например, если проводящий компонент в устройстве коснется металлического корпуса. Измерительная схема может быть не в состоянии обнаружить это событие.

Глядя на схему стоит обратить внимание на способ подключения как усилителя, так и преобразователя АЦП к опорной точке. В случае измерения токов большой силы легко привести к ситуации, когда отдельные точки тракта или плоскости заземления могут отличаться по электрическому потенциалу. Поэтому убедитесь что и АЦП, и усилитель, используют одну и ту же (или как можно более близкую) опорную точку.

В случае работы с малыми сигналами довольно большую роль играет входное напряжение смещения усилителя. Чем меньше значение этого параметра, тем выше точность измерения.

Несмотря на эти недостатки, измерение тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором когда нагрузку не нужно подключать напрямую к земле и где нет необходимости обнаруживать короткие замыкания на массу. Но в случае устройств, которые должны соответствовать более строгим требованиям безопасности, измерение тока на стороне высокого напряжения является лучшим выбором.

Измерение верхней стороны. В конфигурации на стороне высокого напряжения измерительный элемент подключается между положительной клеммой питания и нагрузкой. Это решение имеет 2 основных преимущества по сравнению с конфигурацией на стороне низкого напряжения: простое обнаружение короткого замыкания на любую точку цепи с землей и отсутствие прямой связи измерения элемента с землей, что облегчает дальнейшую обработку сигнала, например, при цифровом преобразовании.

Подключение измерительной цепи по схеме верхнего плеча

Основным недостатком тут будет необходимость работы с входным напряжением, близким к напряжению питания усилителя. По этой причине компоненты, используемые в конструкции такого типа, должны характеризоваться высоким значением коэффициента CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала).

Подведем итоги материала

Таким образом первым шагом в процессе измерения силы тока будет преобразование значения тока в электрическое напряжение, которое впоследствии гораздо легче измерить. Шунтирующие резисторы являются достаточно дешевыми и надежными элементами, выполняющими данную функцию. Величина сопротивления такого резистора должна быть как можно меньше, чтобы не мешать работе схемы и ограничивать потери энергии.

Другими важными параметрами являются температурный коэффициент сопротивления и тепловой коэффициент ЭДС, которые влияют на точность измерения. Важна для точности измерения также защита измерительных трактов от протекания по ним слишком большого тока — для этого часто применяют четырехточечное соединение или компоненты с 4 выводами.

Схема усилителя преобразует небольшое напряжение, подаваемое на шунтирующий резистор, в пропорционально большее значение, что гораздо удобнее для дальнейшей обработки. Существует два способа подключения измерительной цепи к тестируемой схеме – со стороны питания (конфигурация высокого уровня) или со стороны земли (конфигурация низкого уровня). Каждое из этих решений имеет определенные преимущества и недостатки, поэтому окончательный выбор зависит от потребностей самого устройства.

Источник

Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector