Меню

Шунтирующий резистор для измерения тока

Основы измерения тока: Токоизмерительные резисторы. Часть 1

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.

Читайте также:  Что такое мошьность тока

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.

Источник



Расчет измерительного шунта миллиамперметра

Шунт для амперметра

Шунт (англ. Shunt) — электрическое или магнитное ответвление, которое включают параллельно основного контура цепи. Параллельное подключение одного звена электрической цепи к другому с целью понижения общего электрического сопротивления называется процессом шунтирования. Это нашло широкое применение в схемотехнике.

Шунты измерительных приборов

Измерительный шунт — сопротивление, параллельно подключенное к зажимам измерительного амперметра (параллельно его внутреннему электрическому сопротивлению). Это позволяет прибору расширить измерительный диапазон по току при снижении его чувствительности и разрешающей способности.

Амперметр своими руками

Измерительные шунты производят из манганина. В зависимости от конструктивного исполнения бывают:

  • внутренними;
  • наружными (внешними).

Расчет шунта для амперметра постоянного тока

Для определения небольших значений тока (не более 30 А) шунт чаще всего находится внутри корпуса прибора. В случае измерения внушительных значений тока во избежание чрезмерного нагрева корпуса шунт имеет наружную конфигурацию исполнения.

В портативных магнитоэлектрических устройствах, рассчитанных на силу тока не более 30 ампер, внутренние шунты рассчитаны на несколько граничных значений измеряемой величины.

Многопредельный шунт устроен в виде ряда резисторов, которые возможно коммутировать в соответствии с пределом измерения, рычажным тумблером либо путем перемещения провода с одной клемы на другую.

У внешних резисторов, как правило, присутствует калибровка, с расчётом на распространенные значения тока и напряжения. Такие шунтирующие сопротивления имеют ряд номинальных значений напряжения: 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ.

Расчет шунта амперметра

При использовании элементов шунтирования в измерениях величин переменного тока наблюдается добавочная погрешность, связанная с преобразованием частоты, поскольку сопротивления измерительного механизма и шунтирующего устройства находятся в различных зависимостях от частоты.

Шунтирующие звенья классифицируются согласно точности: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, и 0,5. Цифровые значения, отвечающие каждому классу, указывают на допустимую величину расхождения сопротивления с его номиналом, выраженную в процентах.

Эксплуатационные требования, выдвигаемые к элементам шунтирования: низкие потери напряжения в области шунта, во избежание перегрева оборудования; стабильное значение сопротивления, обеспечивающие точность измерения; стойкость к коррозии и к воздействиям окружающей среды.

Контроль величины постоянного тока имеет широкий диапазон применения, в том числе:

Во многих промышленных отраслях применение шунтирующих резисторов зарекомендовало себя как надежный, точный и долговременный способ для беспрерывного измерения тока постоянной величины.

Расчет и изготовление шунта

Амперметр M367 имеет максимальный предел измерения тока 150 А. Очевидно, что при определении таких величин силы тока задействовано внешнее шунтирующее сопротивление. Освобожденный от влияния шунтирующего элемента прибор приобретает свойства миллиамперметра с максимальным показанием силы тока 30 мА.

Следовательно, варьируя разными значениями сопротивления електр. звена, можно добиться любой области измерения. Чтобы подтвердить это на практике, можно создать шунт для амперметра своими руками.

Основные понятия и формулы

Значение суммарной величины тока I распределяется между шунтирующим резистором (Rш, Iш) и изм. прибором (Rа, Iа) и находится в обратно пропорциональной зависимости сопротивлению этих участков.

Электросопротивление ответвления измерительной цепи: Rш=RаIа / (I-Iа).

Для умножения масштаба измерения в n раз следует принять значение: Rш=(n-1) / Rа, при этом показатель n=I/Iа — коэффициент шунтирования.

Расчет шунтирующего звена

Как подключить амперметр к зарядному устройству

Для расчета шунта микроамперметра можно воспользоваться данными об измерительной головке прибора: сопротивление рамки (Rрам), величина тока, которая соответствует максимальному отклонению индикаторной стрелки (Iинд) и наибольшее значение прогнозируемой шкалы измерения тока (Imax). Максимальным измеряемым током примем значение 30 мА. Значение Iинд определяется экспериментальным путем. Для этого последовательно включается в электрическую цепь переменный резистор R, шкала индикатор и измерительный тестер.

Перемещая ходунок резистора R, следует добиться максимального показания стрелки на шкале индикатора и зафиксировать показания Iинд на тестере. Вследствие опыта известны величины Iинд = 0.0004 А и Rрам=1кОм (также измеряется тестером), этого достаточно для дальнейшего расчета сопротивления шунта микроамперметра (индикатора) по формуле:

Rш=Rрам * Iинд / Imax; получаем Rш=13,3 Ом.

Длина проводника

Выбрав материал для изготовления и зная величину его удельного сопротивления, необходимо рассчитать длину токовой части шунта.

Согласно соотношению: Rш=p*J/S,

где: p-удельное сопротивление, J-длина, S- площадь поперечного сечения проводника, подбираются геометрические параметры медного провода (p=0.0175 Ом*мм2 /м).

Величину площади можно рассчитать из формулы, вооружившись предполагаемым значением диаметра:

Тогда искомая величина будет равна:

При диаметре проводника d= 0.1 мм, подставив значения получается длина:

Расчет шунта для амперметра постоянного тока определил такие выходные данные:

максимальный ток измерения — 30 мА;

материал проводника — медная жила 0.1 мм в диаметре длиною 0,45 м.

Для удобства и упрощения расчетов относительно шкал измерительных приборов используют онлайн-калькулятор.

Амперметр для зарядного устройства

Шунт для амперметра своими руками

Нелишним будет знать, как сделать из вольтметра амперметр и применить его в процессе контролирования силы тока при зарядке аккумуляторных батарей.

Необходимый стрелочный вольтметр проверяется на способность стрелки полностью отклонятся вдоль измерительной шкалы. Следует убедиться в отсутствии добавочных сопротивлений или внутреннего шунта.

До этого был рассмотрен расчетный метод подбора шунтирующего резистора, в этом случае самодельный амперметр получается сугубо практическим путем, с помощью добавочного изм. прибора или тестера с пределом измерения до 8 А.

Соединяется в простую схему зарядный выпрямитель, дополнительный образцовый амперметр, проводник для будущего шунта и заряжаемая аккумуляторная батарея.

Как рассчитать шунт для амперметра

Для изготовления шунта для амперметра 10А своими руками на концах неизолированного толстого медного проводника длиною до 80 см выгибаются кольцеобразные дуги под крепеж болтом. После чего подсоединяется последовательно с образцовым изм. прибором в электрическую цепь выпрямитель — аккумулятор.

Один из концов стрелочного вольтметра основательно соединяется с шунтом, а другим, как щупом, проводится по медному проводу. Подается питание через выпрямитель и устанавливается по образцовому амперметру сила тока в цепи 5А.

Начиная от места крепления, щупом от вольтметра следует вести по проводу, пока на обоих приборах не установятся одинаковые значения тока. Согласно величине сопротивления рамки используемого стрелочного вольтметра определяется нужная длина провода шунтирования величиною до метра.

Проводник шунта возможно смотать в виде спирали либо как-то еще. Витки легонько растянуть с целью избежать прикосновений между ними или изолировать хлорвиниловой трубкой по всей длине спирали шунта.

Вариант предварительного определения длины провода для последующей замены изолированным проводником тоже вполне приемлем и практичен, но требует внимательности и тщательности в операциях замены шунта, повторяя все этапы по нескольку раз. Связано это с точностью показаний амперметра.

Расчет шунта для амперметра

Соединительные провода от вольтметра должны быть обязательно припаяны непосредственно к шунтирующей спирали, иначе прибор будет иметь погрешности в показаниях.

Провода соединяющие шунт и изм. прибор выбирают произвольной длины, поэтому шунтирующий элемент возможно поместить в любой части корпуса выпрямителя.

Шкала амперметра для измерения величины постоянного тока равномерная, этим нужно руководствоваться при ее выборе. Букву V правильно заменить на А, а цифровые значения подогнать из расчета максимального тока в 10 А.

Originally posted 2018-04-18 12:28:37.

Источник

Измерение больших токов шунтом

Иногда, в радиолюбительской практике и не только, требуется измерить токи, величиной в несколько десятков ампер. Обычный мультиметр может измерять токи до 10 А, ито не всегда. Зачастую имеющийся под рукой прибор позволяет делать измерения до десятых долей ампера. Опытный радиолюбитель легко выйдет из положения, поэтому статья предназначена в первую очередь для новичков. Итак, будем разбираться, как измерить ток с помощью закона Ома.

Применение закона Ома

Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах, U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I — протекающий ток.

Измерение тока с помощью шунта

Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом. Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не важно — действующий ток одинаков на всех участках цепи. Так же параллельно шунту подключается вольтметр — по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой. У меня при почти полном торможении вала двигателя вольтметр показывал около 0,9 В. Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А — такой ток потребляет мотор.

Читайте также:  Варистор в цепи постоянного тока

Обратите внимание:
При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит стрелочный вольтметр.

Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до 300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Калькулятор расчета тока по сопротивлению и напряжению на шунте

Напряжение на шунте, В

Сопротивление шунта, Ом

Самодельный шунт

Не всегда под рукой имеются проволочные резисторы таких мизерных сопротивлений, я бы даже сказал чаще их нет. Из положения можно выйти при помощи нихромовой проволоки от вышедших из строя нагревателей, в крайнем случае можно использовать обычный медный провод. Для определения сопротивления куска проволоки понадобится амперметр (прям замкнутый круг) и источник питания с нагрузкой. Амперметр может конечно быть рассчитан на меньшие токи, чем предполагается измерять шунтом.

Измерение сопротивления шунта

Например, для измерения сопротивления своего шунта 0,035 Ом я использовал источник напряжения 12 В и галогеновую лампу 12 В 35 Вт. Предварительно оценив, что лампа потребляет 35Вт/12В=2,9А, я использовал амперметр на 5 А. Безусловно, когда мы знаем ток потребления нагрузкой, как в моем случае, амперметром можно и не пользоваться, однако будет большая погрешность в измерениях.

Измерение напряжения на шунтеДля измерительного шунта отлично подходит сборный шунт от советского измерительного прибора. Данный шунт имеет несколько отводов и обладает способностью держать большие токи.

Итак, подключаем шунт неизвестного сопротивления в разрыв между источником питания и нагрузкой (лампой). Аналогично, как при измерении тока, включаем параллельно шунту вольтметр. В ситуации с лампой вполне сойдет цифровой вольтметр. Закон Ома здесь применим с той лишь разницей, что теперь нам известен ток и напряжение, а сопротивление нет. Используя ту же формулу, подставляем известные значения: 2,9(ток потребления лампы)=0,1(напряжение на измеряемом шунте)/X(сопротивление неизвестно) — 2,9=0,1/X или данное уравнение можно записать иначе: X=0,1/2,9=0,034 Ома — сопротивление шунта.

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока так же применимы вышеописанные методы, с той лишь разницей, что нужно использовать вольтметр переменного напряжения, а в случае с измерением сопротивления шунта — амперметр переменного тока.

Для измерения в цепях с частотой 50 Гц вполне сойдут и цифровые вольтметры и амперметры (при наличии у них таких функций). При более высоких частотах цифровые приборы малопригодны, их показания могут сильно отличаться от реальности. Стрелочные измерительные приборы в этом случае куда более подходящие.

Однако самым лучшим вариантом измерения токов любой формы является осциллограф. Осциллограф подключается к шунту вместо вольтметра. Это позволит измерить размах тока или или среднее его значение. Другими словами — мы увидим ток «воочию». Основная сложность при таких замерах — согласовать значения напряжений на осциллографе с сопротивлением шунта по закону Ома. Здесь могу посоветовать одно — калькулятор в начале страницы вам в помощь.

Среднеквадратическое значение напряжения на осциллографе

Хочется обратить внимание: при измерении переменного тока следует производит расчеты не по амплитудным значениям напряжения, а по среднеквадратическим — именно так принято в электротехнике измерять переменные токи и напряжения. Величины указываются усредненные, эквивалентные постоянным. Собственно это и стоит учитывать при использовании осциллографа. У цифровых «ослов» среднеквадратическая величина напряжения может рассчитываться автоматически, называется она «Vrms».

Вышенаписанное справедливо при измерении так называемых «действующих» токов, с относительно стабильной формой. Когда же нужно узнать пиковые токи — здесь в формулу рассчета (или калькулятор в начале) нужно подставлять амплитудные значения напряжений на шунте. Как говорится «все хорошо к месту» — в радиолюбительской практике требуются различные варианты.

Источник

Микросхемы для измерения тока со встроенным шунтом

Применение токоизмерительных микросхем с внешним шунтирующим резистором не способно обеспечить прецизионную точность измерения. Чтобы решить эту проблему, компания Texas Instruments выпускает токоизмерительные микросхемы со встроенным шунтом: INA250 – интегральный преобразователь тока в напряжение, и INA260, конвертирующую измеренный сигнал в цифровой код с возможностью его передачи по интерфейсам I²C и SMBus™.

Полупроводниковые интегральные измерители тока широко применяются в различном оборудовании, позволяя непосредственно контролировать протекающий по цепи ток. Принцип их действия аналогичен используемому в традиционных измерительных приборах методу с вычислением тока по напряжению, измеренному на резисторе. Он включается в разрыв цепи, называется шунтом и имеет достаточно малое сопротивление, чтобы не влиять на работу оборудования, и достаточно высокую предельную мощность, чтобы пропускать через него максимально возможный рабочий ток нагрузки. Значение тока вычисляется согласно закону Ома по величине напряжения на резисторе известного номинала.

Интегральные измерители тока используются для контроля режимов работы различного оборудования в промышленности и на транспорте, в телекоммуникационных системах, источниках питания серверов и в инверторах солнечных батарей. Интегральные измерители тока со встроенным шунтом позволяют решать подобные задачи с повышенной точностью и меньшими затратами.

Микросхемы TI со встроенным шунтом для измерения тока

В обширном ассортименте продукции компании Texas Instruments (TI) нашлось место и для измерителей тока со встроенным шунтом. Представляем два типа подобных микросхем, каждая из которых предназначена для решения различных специфических задач. Используя встроенный шунт, микросхемы INA250 и INA260 позволяют измерять двунаправленный ток нагрузки со стороны шины питания или шины заземления.

Интеграция в микросхемы прецизионного резистора для контроля тока обеспечивает высокую точность измерения, сравнимую с калиброванной, и минимальную зависимость характеристик от колебаний температуры. Кроме того, обе микросхемы используют оптимизированное 4-точечное подключение токоизмерительного шунта (схема Кельвина).

INA250

Микросхема INA250 является токоизмерительным усилителем с выходным напряжением, пропорциональным измеряемому току. Прецизионный встроенный резисторный шунт позволяет с высокой точностью измерять ток при синфазном напряжении, которое может изменяться от 0 до 36 В независимо от величины напряжения питания микросхемы.

Семейство INA250 доступно с четырьмя типами шкалы выходного напряжения: 200 мВ/A, 500 мВ/A, 800 мВ/A и 2 В/A. Все микросхемы рассчитаны на номинальный ток до 15 А (10 А – при максимальной температуре 125°C). Однополярное напряжение питания для INA250 составляет 2,7…36 В, а максимальный потребляемый ток достигает 300 мкА. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C и выпускается в 16-выводном корпусе типа TSSOP.

Основные характеристики INA250

  • Встроенный прецизионный резисторный шунт
    • сопротивление шунта: 2 мОм
    • допустимая погрешность сопротивления шунта: 0,1% (макс.);
    • номинальный измеряемый ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
    • температурный коэффициент: 10 ppm/°C в диапазоне 0…125°C.
  • Повышенная точность измерения:
    • погрешность коэффициента усиления (шунт и усилитель): 0,3% (макс.);
    • ток смещения: 50 мА (макс., для INA250A2).
  • Четыре коэффициента усиления
    • INA250A1: 200 мВ/A;
    • INA250A2: 500 мВ/A;
    • INA250A3: 800 мВ/A;
    • INA250A4: 2 В/A.
  • Широкий диапазон синфазного сигнала: -0,1…36 В
  • Рабочий диапазон температур: -40…125°C

INA260

Микросхема INA260 предназначена для контроля тока, мощности и напряжения с использованием встроенного шунтирующего резистора высокой точности. Цифровой выход этого интегрального монитора обеспечивает совместимость с шинами I²C и SMBus™.

Микросхема обеспечивает высокую точность измерений тока и мощности в сочетании с возможностью обнаружения превышения тока в режиме синфазных напряжений, уровень которых может изменяться от 0 до 36 В независимо от напряжения питания. У INA260 можно задать до 16 адресов для работы нескольких микросхем на единой шине I²C. Цифровой интерфейс позволяет программировать критические уровни тока, время преобразования и усреднение аналого-цифрового преобразователя (ЦАП). Для упрощения использования измерителя внутренний множитель обеспечивает прямые отсчеты тока в амперах и мощности в ваттах.

Выполненный в 16-ти выводном корпусе TSSOP интегральный измеритель INA260 работает от источника питания напряжением 2,7…5,5 В при среднем потребляемом токе 310 мкА в диапазоне рабочих температур -40…125°C.

Основные характеристики INA260

  • Интегрированный резисторный шунт высокой точности
    • сопротивление шунта: 2 мОм;
    • эквивалентная погрешность: не более 0,1%;
    • номинальный ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
    • температурный коэффициент: 10 ppm/°C (0…125°C).
  • Измеряемое шинное напряжение: 0…36 В
  • Измерение в цепи между источником питания и нагрузкой или между нагрузкой и общим проводом
  • Считываемые данные о токе, напряжении и мощности
  • Повышенная точность
    • системная погрешность усиления: 0,15% (макс.);
    • ток смещения: 5 мА (макс.).
  • Настраиваемые функции усреднения
  • 16 программируемых адресов
  • Напряжение питания: 2,7…5,5 В;
  • Корпус типа TSSOP, 16 выводов.

Датчики тока с интегрированным резистором упрощают разработку печатной платы

Наиболее распространенным методом для измерения протекающего в цепи тока является определение его величины через измеренное значение напряжения на шунтирующем или токоизмерительном резисторе. Для достижения высокой точности измерения необходимо оценить характеристики и подобрать используемые в процессе измерения резистор и усилитель.

При этом чрезвычайно большое значение для сохранения точности измерения имеет также правильная трассировка цепей между токоизмерительным резистором и усилителем тока на печатной плате.

Читайте также:  Как узнать ток для трехфазного напряжения

На рисунке 1 представлена типичная принципиальная схема токоизмерительного усилителя с цепями подключения шунтирующего резистора (Rsense) в качестве датчика.

Рис. 1. Измерение тока между источником питания и нагрузкой

Рис. 1. Измерение тока между источником питания и нагрузкой

При использовании токоизмерительного усилителя в разработке весьма важен выбор параметров шунтирующего резистора. В первую очередь выбираются номинальное сопротивление и мощность этого резистора. Номинал резистора подбирают, исходя из желаемого максимального падения напряжения на нем при максимальном ожидаемом токе, или же исходя из планируемой потери мощности на этом резисторе.

После выбора величины и мощности токоизмерительного резистора определяется допустимое отклонение от номинального значения его сопротивления, так как это напрямую повлияет на точность воспринимаемого напряжения и измеряемый ток.

Однако есть еще один параметр, на первый взгляд не вполне очевидный, о котором часто забывают – это температурный коэффициент резистора. Температурный коэффициент часто указывается в размерности миллионная доля на градус Цельсия (ppm/°C). Он важен, поскольку температура резистора будет расти за счет мощности, рассеиваемой при протекании большого тока через этот компонент. Часто бывает так, что в недорогих резисторах с классом точности менее 1% наблюдается изменение рабочих параметров под влиянием температуры.

Когда резистор выбран, для повышения точности измерений необходимо обратить особое внимание на трассировку дорожек печатной платы, ведущих к нему. Чтобы достигнуть высокой точности измерения тока, необходимо использовать схему Кельвина, основанную на четырех точках подключения к токоизмерительному резистору. Первые два соединения нужны для контроля протекающего тока, а два других – для контроля падения напряжения на резисторе. На рисунке 2 показаны различные варианты подключений для контроля тока, протекающего через резистор.

Рис. 2. Варианты подключения токоизмерительного резистора

Рис. 2. Варианты подключения токоизмерительного резистора

Одной из наиболее распространенных ошибок является подключение входов чувствительного по току усилителя к дорожкам печатной платы, показанное на рисунке 2а, вместо непосредственного подключения к резистору.

Другие допустимые варианты подключения к резистору для измерения тока представлены на рисунках 2б…г. Показанная на рисунке 2г компоновка использует независимое двухпроводное подключение для каждого вывода токоизмерительного резистора. Такой метод наиболее часто используется для резисторных шунтов с сопротивлением менее 0,5 мОм, когда паяное соединение способно серьезно изменить сопротивление шунта. Трудно сказать, какой метод компоновки точек подключения даст наилучшие результаты в окончательном варианте печатной платы, так как точность резистора во многом зависит от точки измерения, используемой при его производстве.

Если значение резистора было измерено с внутренней стороны контактных площадок, то наилучший результат измерения обеспечит компоновка, показанная на рисунке 2в. Если значение резистора было измерено на боковой стороне площадок – компоновка, показанная на рисунке 2б, даст наивысшую точность.

Сложность в выборе оптимальной компоновки печатной платы заключается в том, что производители шунтирующих резисторов далеко не всегда дают рекомендации по трассировке печатной платы для оптимизации точности измерения тока, не говоря уже о точках измерения сопротивления, используемых в производственном процессе.

Все эти сложности в значительной степени устраняются при использовании усилителя с интегрированным токоизмерительным резистором, как в случае микросхем INA250 и INA260. Соединения с токоизмерительным резистором уже оптимизированы для достижения наивысшей точности измерения независимо от температуры.

INA250 – это простой токоизмерительный усилитель с аналоговым выходом, в то время как INA260 является датчиком тока с цифровым I²C-интерфейсом, через который транслируются значения тока, мощности и напряжения.

Блок-схема INA250 вместе с соединениями для резистора показана на рисунке 3. Резистор в составе INA250 имеет внешние выводы, которые позволяют фильтровать напряжение на шунте или подключать его непосредственно к токочувствительному усилителю. Внутренние соединения шунтирующего резистора минимизируют проблемы, возникающие при трассировке печатной платы.

Рис. 3. Блок-схема INA250 с подключением внутреннего резистора

Рис. 3. Блок-схема INA250 с подключением внутреннего резистора

Коэффициент усиления усилителя оптимизирован для каждого резистора, так что общая системная погрешность усиления сравнима с вариантом использования токоизмерительного резистора с точностью 0,1% или выше. Технология интегрированного шунта, используемая в INA250 и INA260, позволяет пропускать рабочие токи до 15 А.

Выбор компонентов упрощается благодаря тому, что характеристики точности для INA250 и INA260 даны с учетом токоизмерительного резистора. У INA250 общая максимальная системная погрешность коэффициента усиления составляет 0,3% при комнатной температуре и 0,75% в температурном диапазоне -40…125°С.

Для микросхем без встроенного шунтирующего резистора расчет точности, то есть общей погрешности усиления системы, должен учитывать погрешность и дрейф коэффициента усиления, номинальное значение и нестабильность сопротивления резистора. В связи с этим могут возникать трудности при подборе компонентов, соответствующих заданным требованиям точности системы.

INA260 выдает измеренные значения в цифровом виде, при этом максимальная общая погрешность коэффициента усиления при комнатной температуре составляет 0,15%. Эта цифра уже включает в себя и учитывает разброс значений интегрированного резистора и погрешность коэффициента усиления прибора. Соединения с токоизмерительным резистором выполнены внутри корпуса и откалиброваны для каждого устройства, что устраняет различия в сопротивлении, обусловленные точкой подключения.

Интегрированный шунт позволяет обеспечить более высокую точность и снизить общую стоимость решения в разработках, где требуется прецизионная точность измерения тока. Для достижения в дискретном решении точности, обеспечиваемой в INA260, потребуется токоизмерительный усилитель с погрешностью коэффициента усиления менее 0,1% и резистор достаточно высокой точности – не менее 0,05%. В настоящее время резисторы повышенной мощности с погрешностью менее 0,1% продаются по достаточно высокой цене.

Еще одно преимущество интегрированного в INA260 резистора заключается в том, что его величина уже откалибрована, так что считываемые значения тока легко преобразуются в амперы. Другие цифровые измерители могут требовать программной обработки показаний с токоизмерительного резистора, или же она выполняется в основном процессоре системы.

Используемая в INA250 и INA260 технология интегрированного шунта обеспечивает высокую точность измерения тока, упрощает компоновку при проектировании печатной платы и выявление общей системной ошибки, и при этом может быть дешевле равноценных по точности дискретных решений.

При измерении с повышенной точностью больших токов, превышающих 15 А, могут быть подключены параллельно несколько микросхем INA250, как показано в техническом описании микросхемы, или могут быть использованы несколько INA260, показания которых суммируются в системном процессоре.

Если параллельное использование нескольких микросхем для контроля токов более 15 А нецелесообразно из-за увеличивающихся размеров платы, можно использовать другие микросхемы с аналоговым и цифровым выходом, например, INA210, INA226, INA233, с применением внешних шунтирующих резисторов.

Типовые варианты интегральных измерителей тока

На основе серийно производимых микросхем INA250 и INA260 компания TI разработала и предлагает ряд готовых типовых решений для демонстрации процесса измерений тока. Полностью собранные платы TIDA-00614 и TIDA-01608 были специально разработаны для тестирования и оценки производительности интегральных измерителей тока с встроенным шунтом в конкретных условиях. Но подчеркивая демонстрационный характер изделий, компания отмечает, что именно эти платы не продаются в готовом виде. Для знакомства с возможностями микросхем предусмотрены другие отладочные платы – INA260EVM и INA250EVM.

TIDA-00614 – двунаправленный измеритель тока с интегральным шунтом на 30 А

Эта плата (рисунок 4) позволяет точно измерять ток в диапазоне до 30 А на шине с синфазным напряжением до 36 В при температурах -40…85°С. Ток нагрузки делится примерно пополам между цепями двух шунтирующих резисторов. Соответствующее току первого канала напряжение с выхода усилителя (OUT) поступает на вход REF второго канала. Устройство суммирует выходные напряжения двух микросхем INA250A2 и генерирует общее выходное напряжение относительно вывода GND. Схема измерительной платы TIDA-00614 представлена на рисунке 5.

Рис. 4. Плата TIDA-00614

Рис. 4. Плата TIDA-00614

Особенности TIDA-00614

  • Компактная конструкция с хорошими температурными характеристиками
  • Устойчивое измерение тока до 30 А с помощью двух усилителей с параллельно подключенными интегрированными токоизмерительными шунтами
  • Возможность конфигурирования для полного и частичного, положительного и отрицательного диапазонов измерения двунаправленного тока
  • В комплект устройства входят документация, проектные данные и файлы макета платы.

Рис. 5. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-00614

Рис. 5. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-00614

TIDA-01608 – изолированный датчик тока с интегрированным резисторным шунтом и интерфейсом I²C

На рисунке 6 представлена собранная плата измерителя TIDA-01608, а на рисунке 7 – принципиальная схема устройства. Плата позволяет с высокой точностью измерять ток на шине с напряжением в сотни вольт и служит примером устройств, разрабатываемых для оборудования солнечной энергетики и серверных блоков питания с их потребностью в широком диапазоне входного напряжения высокого уровня. На плате TIDA-01608 размещены: микросхема INA260 с интегрированным резистивным шунтом для измерения тока, два двунаправленных буфера P82B96, упрощающие соединение I²C, цифровой изолятор ISOW7842, который обеспечивает гальваническую развязку измерительных и управляющих цепей. Измеряемое микросхемой INA260 синфазное напряжение ограничено уровнем 36 В, поэтому использование ISOW7842 позволяет разработчику решить задачу измерения тока в высоковольтных цепях.

Рис. 6. Плата TIDA-01608

Рис. 6. Плата TIDA-01608

Особенности TIDA-01608

  • Измерение тока высоковольтной шины (±1 кВ)
  • Изолированные цепи нагрузки с высоким напряжением
  • Совместимость с шиной I²C
  • Усиленная изоляция цифрового интерфейса I²C с микроконтроллером
  • Системная погрешность 1%

Рис. 7. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-01608

Рис. 7. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-01608

Заключение

Микросхема INA250 является интегральным преобразователем «ток-напряжение», а INA260 применяется в качестве конвертора измеряемого аналогового сигнала в цифровой код. Оба типа микросхем позволяют контролировать как ток, потребляемый нагрузкой от шины питания, так и ток, вытекающий из нагрузки в шину заземления.

Микросхемы со встроенным резистивным шунтом INA250 и INA260 обладают целым рядом преимуществ в сравнении с другими интегральными измерителями, использующими внешний шунт. INA250 и INA260 с встроенным прецизионным шунтом обеспечивают гарантированную точность измерения и позволяют сократить занимаемую на плате площадь, трудоемкость и стоимость реализации измерителя тока.

Источник