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).
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.
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.
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.
Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора (R
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).
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.
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).
| 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).
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.
Автор: Стив Лейбсон Перевод: Виктор Чистяков, г. Малоярославец
Разделы: Токовый измерительный шунт, Резисторы постоянные
Опубликовано: 12.03.2019
Модуль измерения тока, 2,4-25А, 45мм, сквозное подключение, для Simocode Pro C, SIEMENS, 3UF71011AA000
Модуль измерения тока, 0,3-3А, 45мм, сквозное подключение, для Simocode Pro C
28728 руб/шт
28728 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока, 10-100А, 55мм, сквозное подключение, для Simocode Pro C
33331 руб/шт
33331 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока, 20-200А, 120мм, сквозное подключение, для Simocode Pro C
64495 руб/шт
64495 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока, 20-200А, 120мм, шинное присоединение, для Simocode Pro C
64495 руб/шт
64495 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока, 63-630А, 145мм, шинное присоединение, для Simocode Pro C
73979 руб/шт
73979 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока и напряжения, 0,3-3А, до 690V, 45мм, сквозное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока и напряжения, 10-100А, до 690V, 55мм, сквозное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока и напряжения, 2,4-25А, до 690V, 45мм, сквозное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока и напряжения, 20-200А, до 690V, 120мм, сквозное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока и напряжения, 20-200А, до 690V, 120мм, шинное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока и напряжения, 63-630А, до 690V, 145мм, шинное подключение, для Simocode Pro V
Модуль измерения тока/напряжения второго поколения V2; диапазон токов 0.
3 … 4 A, измерение напряжения до 690 В, габаритная ширина 45 мм, проходные трансформаторы, совместим с базовым модулем SIMOCODE pro V
56638 руб/шт
56638 руб/шт
Купить
Модуль измерения тока/напряжения второго поколения V2; диапазон токов 3. ..40 A, измерение напряжения до 690 В, габаритная ширина 45 мм, проходные трансформаторы, совместим с базовым модулем SIMOCODE pro V
57451 руб/шт
57451 руб/шт
Купить
Базовый модуль Simocode Pro C, интерфейс Profibus DP, Us=24VDC
121401 руб/шт
121401 руб/шт
Купить
Базовый модуль Simocode Pro C, интерфейс Profibus DP, Us=110-240V AC/DC
100266 руб/шт
100266 руб/шт
Купить
Базовый модуль Simocode Pro V, интерфейс Profibus DP, Us=110-240V AC/DC
138205 руб/шт
138205 руб/шт
Купить
Модуль ввода дискретных сигналов, 4 цифровых входа, 2 релейных выхода, Us=110-240V AC/DC, моностабильные выходы
43901 руб/шт
43901 руб/шт
Купить
Кабель USB для локального подключения ПК или программатора (PG) через системный интерфейс к базовому аппарату SIMOCODE pro
15771 руб/шт
15771 руб/шт
Купить
Соединительный кабель, плоский, 0,3м, Simocode Pro
3685 руб/шт
3685 руб/шт
Купить
Компоненты и методы измерения тока
Измерение тока используется для выполнения двух основных функций схемы.
Во-первых, он используется для измерения того, «сколько» тока протекает в цепи, что может быть использовано для принятия решений об отключении периферийных нагрузок для экономии энергии или для возврата работы в нормальные пределы. Вторая функция заключается в том, чтобы определить, когда это «слишком много» или неисправность. Если ток превышает безопасные пределы, выполняется условие блокировки программного или аппаратного обеспечения и подается сигнал на отключение приложения, возможно, двигатель находится в остановленном состоянии или имеет место короткое замыкание. Очень важно выбрать подходящую технологию с необходимой надежностью, чтобы должным образом выдерживать экстремальные условия, которые могут возникнуть во время неисправности.
Сигнал, указывающий на условия «сколько» и «слишком много», доступен в различных методах измерения:
- Резистивный (прямой)
а. Токоизмерительные резисторы
б. Сопротивление индуктора постоянному току - Магнитный (косвенный)
а.
Трансформатор тока
б. Катушка Роговского
в. Устройство на эффекте Холла - Транзистор (прямой)
а. Р ДС(ОН)
б. Рационометрический
Трансформатор тока Каждый метод имеет свои преимущества при измерении тока, но также имеет недостатки, которые могут иметь решающее значение для конечной надежности приложения. Их также можно разделить на две основные категории методов измерения; прямой или косвенный. Прямой метод означает, что он подключается непосредственно к измеряемой цепи и что измерительные компоненты подвергаются воздействию сетевого напряжения, в то время как косвенный метод обеспечивает изоляцию, которая может быть необходима для безопасности конструкции.
Резистор для измерения тока
Резистор — это метод прямого измерения тока, который отличается простотой и линейностью. Токоизмерительный резистор размещается на линии измеряемого тока, и результирующий ток вызывает преобразование небольшого количества энергии в тепло.
Это преобразование мощности обеспечивает сигнал напряжения. Помимо благоприятных характеристик простоты и линейности, токоизмерительный резистор представляет собой экономичное решение со стабильным температурным коэффициентом сопротивления (TCR) < 100 ppm/°C или 0,01%/°C и не подвержен лавинной нагрузке. размножение или тепловой разгон. Кроме того, наличие токоизмерительных изделий из металлических сплавов с низким сопротивлением (доступно менее 1 мОм) обеспечивает превосходные характеристики при перенапряжении для надежной защиты при коротком замыкании и перегрузке по току.
Сопротивление катушки индуктивности постоянному току
Сопротивление катушки индуктивности постоянному току также можно использовать для измерения резистивного тока. Этот метод считается «без потерь» из-за низкого значения сопротивления меди, обычно < 1 мОм, и поскольку он обеспечивает вторичное использование существующего компонента. В приложениях с более высоким током; ток 30 ампер обеспечит сигнал 30 мВ для значения сопротивления 1 мОм.
Этот метод имеет два недостатка; первая медь имеет высокий ТКС (температурный коэффициент удельного сопротивления) примерно 3900 ppm, что приводит к увеличению значения сопротивления на 39% при повышении температуры на 100°C по сравнению с комнатной. Из-за такого высокого TCR необходимо контролировать температуру и компенсировать ее, чтобы обеспечить приемлемое измерение тока. Вторым недостатком является различие в сопротивлении меди из-за изменений размеров, которые происходят из-за того, что проводник становится шире или тоньше от одной партии к другой.
Трансформатор тока
Три основных преимущества трансформатора тока заключаются в том, что он обеспечивает изоляцию от сетевого напряжения, обеспечивает измерение тока без потерь, а напряжение сигнала может быть большим, обеспечивая меру помехоустойчивости. Этот косвенный метод измерения тока требует изменяющегося тока, такого как переменный ток, переходный ток или коммутируемый постоянный ток; для создания изменяющегося магнитного поля, магнитно связанного со вторичными обмотками (рис.
1). Вторичное измерительное напряжение можно масштабировать в соответствии с соотношением витков между первичной и вторичной обмотками. Этот метод измерения считается «без потерь», поскольку ток цепи проходит через медные обмотки с очень небольшими резистивными потерями. Однако небольшая часть мощности теряется из-за потерь трансформатора из-за нагрузочного резистора, потерь в сердечнике и первичных и вторичных сопротивлений постоянному току.
Катушка Роговского
Катушка Роговского аналогична трансформатору тока в том, что во вторичной катушке индуцируется напряжение, пропорциональное току, протекающему через изолированный проводник. Исключением является то, что катушка Роговского (рис. 2) представляет собой конструкцию с воздушным сердечником, в отличие от трансформатора тока, в котором используется сердечник с высокой магнитной проницаемостью, такой как многослойная сталь, для магнитной связи со вторичной обмоткой. Конструкция с воздушным сердечником имеет меньшую индуктивность, что обеспечивает более быструю реакцию сигнала и очень линейное напряжение сигнала.
Из-за своей конструкции он часто используется в качестве временного метода измерения тока на существующей проводке, такой как ручной счетчик. Это можно считать более дешевой альтернативой трансформатору тока.
Эффект Холла
Когда проводник с током помещается в магнитное поле, как показано на рис. 3, возникает разность потенциалов, перпендикулярная магнитному полю и направлению тока. Этот потенциал пропорционален величине тока. Когда нет магнитного поля и существует ток, то нет разницы потенциалов. Однако, когда существует магнитное поле и ток, заряды взаимодействуют с магнитным полем, вызывая изменение распределения тока, что создает напряжение Холла.
Преимущество приборов на эффекте Холла заключается в том, что они способны измерять большие токи с малой рассеиваемой мощностью. Однако существует множество недостатков, которые могут ограничивать их использование, в том числе нелинейный температурный дрейф, требующий компенсации, ограниченная полоса пропускания, обнаружение тока в малом диапазоне требует большого напряжения смещения, что может привести к ошибке, восприимчивости к внешним магнитным полям и высокой стоимости.
Транзисторы считаются методом обнаружения перегрузки по току «без потерь», поскольку они являются стандартными компонентами управления в схемотехнике, и для подачи управляющего сигнала не требуется дополнительных устройств сопротивления или рассеивания мощности. В паспортах транзисторов указано сопротивление сток-исток в открытом состоянии, R DS(ON) с типичным сопротивлением в диапазоне мОм для мощных полевых МОП-транзисторов (рис. 4). Это сопротивление состоит из нескольких компонентов, которые начинаются с выводов, соединяющихся с полупроводниковым кристаллом через сопротивление, которое составляет многочисленные характеристики канала. Основываясь на этой информации, ток, проходящий через МОП-транзистор, можно определить по формуле I Load = V RDS(ON) / R DS(ON) .
Каждая составляющая R DS(ON) вносит свой вклад в погрешность измерения из-за незначительных изменений сопротивлений областей интерфейса и эффектов TCR.
Эффекты TCR могут быть частично компенсированы путем измерения температуры и корректировки измеренного напряжения с ожидаемым изменением сопротивления из-за температуры. Часто TCR для полевых МОП-транзисторов может достигать 4000 ppm/°C, что эквивалентно 40-процентному изменению сопротивления при повышении температуры на 100°C. Как правило, этот метод обеспечивает сигнал с точностью примерно от 10% до 20%. В зависимости от требований к точности этот диапазон может быть приемлемым для обеспечения защиты от перегрузки по току.
МОП-транзисторы с датчиком тока
МОП-транзистор состоит из тысяч параллельных транзисторных ячеек, которые уменьшают сопротивление в открытом состоянии. Чувствительный к току полевой МОП-транзистор, показанный на рис. 5, использует небольшую часть параллельных ячеек и подключается к общим затвору и стоку, но к отдельному истоку. Это создает второй изолированный транзистор; «Смысловой» транзистор. Когда транзистор включен, ток через измерительный транзистор будет в соотношении, сравнимом с основным током через другие ячейки.
В зависимости от типа транзистора диапазон допустимых отклонений может варьироваться от 5 % до 15–20 %. Это не подходит для приложений управления током, которые обычно требуют точности измерения 1%, но предназначены для защиты от перегрузки по току и короткого замыкания.
Преимущества технологии резисторов
Тонкая пленка обычно не используется для приложений измерения тока, но она включена в это обсуждение, чтобы расширить тему. Как правило, эти резистивные изделия предназначены для прецизионных применений, поскольку толщина резистивного слоя варьируется от 0,000001 дюйма до 0,000004 дюйма. Они довольно устойчивы к перенапряжениям в соответствующем приложении, но не предназначены для высоких токов, обычно связанных с упомянутыми здесь приложениями.
Толстая пленка, обычно толщиной от 0,0005 до 0,002 дюйма, почти в 100 раз толще тонкой пленки. Увеличенная толщина соответствует большей массе, которая лучше способна выдерживать относительно высокие токи и рассеивать тепло по подложке, а также лучше справляться с переходными процессами.
Еще одним преимуществом толстопленочных изделий является возможность гибкого запроса стандартных значений сопротивления благодаря эффективности процесса лазерной обрезки. Недостатком толстых пленок является то, что эти продукты не так способны выдерживать очень жесткие допуски тонкопленочных продуктов.
Технология фольги имеет еще большее поперечное сечение и представляет собой однородный резистивный сплав, который отличается от технологии толстой пленки, в которой используются резистивные материалы, взвешенные в стеклянной матрице. Для сравнения, фольга имеет тенденцию выдерживать более сильные переходные процессы по сравнению с предыдущими версиями. Принципиальным преимуществом этой технологии являются омические значения низкого диапазона с низким TCR.
Резистор из массивного сплава обладает наибольшей устойчивостью к импульсным перенапряжениям из-за большой токопроводящей массы. Он доступен с такими низкими значениями сопротивления, как 0,000 5 Ом, с низким TCR. Объемный сплав, как правило, является лучшим выбором для сильноточных источников питания или там, где условия неисправности могут привести к экстремальным токам.
Эти продукты не обладают таким широким диапазоном сопротивлений, как толстопленочные продукты, потому что сплав резисторов имеет ограниченное сопротивление для достижения высоких значений диапазона, а также требует механической прочности, чтобы выдерживать технологические операции.
Особенности продукта
Для сильноточных приложений требуется, чтобы значение сопротивления было очень низким, чтобы свести к минимуму потери мощности и при этом обеспечить необходимый уровень сигнала, чтобы обеспечить сигнал напряжения, достаточно высокий, чтобы превысить уровень шума. Эти низкие омические значения часто требуют четырехконтактного соединения, чтобы уменьшить ошибки, которые могут возникнуть из-за контактного сопротивления, возникающего при установке детали на плату.
CSL (рис. 6a) имеет четыре клеммы по своей конструкции, но другие стандартные устройства для поверхностного монтажа могут выиграть от конструкции с четырьмя клеммами. Эти детали имеют физически разделенные точки подключения для тока и напряжения, что снижает погрешность измерения, связанную с контактом.
В случае CSL ток будет протекать через внутренние контакты, а напряжение измеряется на внешних контактах. Для обеспечения наибольшей точности рекомендуется настроить LRF3W в виде перекрестного потока с током на диаметрально противоположных углах (например, контакт 2). к пину 3).
Компоновка площадки (рис. 6b) создает отдельные области для измерения напряжения сигнала от токоведущей части, что снижает погрешность. Схема контактных площадок 1 иллюстрирует один из методов, который создает изолированную область контактных площадок внутри схемы контактных площадок, но эта конструкция может уменьшить площадь контактной площадки ниже необходимых пределов для прохождения больших токов по медной дорожке. Pad Design 2 использует металлизированное сквозное отверстие для соединения под площадкой и соединяется с внутренней или внешней дорожкой для измерения; это максимизирует пространство контактной площадки для передачи тока на резистор. Точка контакта размещает сигнальную линию как можно ближе к текущему каналу; сведение к минимуму погрешности измерения.
Теплоизоляция
| Метод измерения | Точность | Изоляция | EMI (сопротивление взлому) | Прочный | Размер | Стоимость |
| Резистивный (прямой) | ||||||
| Сенсорный резистор | Высокая | № | Высокий | Высокий | Маленький | Низкий |
| Сопротивление индуктора постоянному току | Низкий | № | Умеренный | Высокий | Маленький | Низкий |
| Транзистор (прямой) | ||||||
| РДсон | Низкий | № | Умеренный | Умеренный | Маленький | Низкий |
| Соотношение метрическое | Умеренный | № | Умеренный | Умеренный | Маленький | Умеренный |
| Магнитный (косвенный) | ||||||
| Трансформатор тока | Высокий | Да | Умеренный | Высокий | Большой | Умеренный |
| Катушка Роговского | Высокий | Да | Умеренный | Высокий | Большой | Умеренный |
| Эффект Холла | Высокий | Да | Высокий | Умеренный | Умеренный | Высокая |
OARS (поверхностное крепление резистора на открытом воздухе) представляет собой уникальную конструкцию, которая поднимает горячую точку резистивного материала намного выше материала печатной платы.
Это помещает самую горячую область детали в доступный воздушный поток, который рассеивает максимальное количество тепловой энергии в воздух, а не в печатную плату.
Это дает два ключевых преимущества для теплового проектирования, которое влияет на материал печатной платы и другие соседние силовые или полупроводниковые компоненты. Типичный материал для печатных плат FR4 рассчитан только на температуру 130°C; силовой резистор, который традиционно прилегает к плате, может привести к повреждению материала во время скачков напряжения или снизить верхние пределы температурных характеристик схемы. Чувствительность к повышенному току предотвращает повреждение материала схемы и позволяет паяному соединению охлаждаться. Вторым преимуществом рассеивания тепла в воздухе вместо печатной платы является улучшенная производительность находящихся поблизости устройств, подверженных тепловому воздействию. Эти эффекты могут включать в себя срок службы, допустимую мощность, световой поток, точность и надежность.
Тепловые изображения, показанные на рис. 7, помогают проиллюстрировать характеристики изоляции продуктов OAR и OARS. Эти тесты проводились на плате из материала FR4 при отсутствии потока окружающего воздуха; воздушный поток улучшит тепловые характеристики системы. Наблюдайте за температурой паяного соединения по отношению к горячей точке. Эти температуры основаны на достижении теплового равновесия, однако в приложении эти результаты могут быть расширены, чтобы рассматриваться как характеристики тепловых характеристик для условия защиты от перегрузки по току. FR4 не превысит номинальную температуру, хотя существуют экстремальные условия работы цепи.
Напряжение припоя
Приподнятая и изогнутая конструкция резистивных изделий OARS позволяет резистору изгибаться. Эта конструкция уменьшает напряжение, создаваемое различиями в коэффициентах теплового расширения между тепловыделяющим металлом и рассеивающим материалом печатной платы. Компоненты для поверхностного монтажа, которые являются плоскими и параллельными печатной плате, будут прикладывать силы сдвига к паяному соединению, что может привести к отказу или изменению производительности.
В приложениях с высокой термоцикличностью OARS предпочтительнее других аналогичных цельнометаллических конструкционных деталей из-за этой особенности гибкости (рис. 8).
LRF3W (рис. 9) от TT electronics обеспечивает несколько конструктивных преимуществ, обусловленных соотношением сторон 1225 и выводом вдоль длинной стороны компонента. Боковая оконечная нагрузка увеличивает номинальную мощность до 3 Вт, что устраняет необходимость уменьшать количество дорожек цепи, как того требует традиционная площадь основания 2512. Это также снижает напряжения в паяных соединениях из-за различий в температурном коэффициенте расширения между керамикой и материалом печатной платы. Соотношение сторон 1225 уменьшает расстояние между центром/горячей точкой детали и теплорассеивающим материалом печатной платы. Это обеспечивает высокую номинальную мощность 3 Вт и снижает нагрузку на паяное соединение из-за различий в температурных коэффициентах расширения между керамической подложкой и тепловой массой материала печатной платы.
Связанные статьи
Датчик тока индуктивности повышает эффективность регулятора
Измерение входного тока понижающего или обратноходового преобразователя Методы измерения переменного тока | Инструменты Weschler
Опубликовано автором Weschler Instruments
Существует два основных метода измерения переменного тока:
- путем прямого соединения с токоведущей цепью
- за счет использования магнитного поля или потока, создаваемого током
Типичные значения шунта составляют 10 мОм для диапазона полной шкалы 20 А и 100 мОм для диапазона 2 А. При этих уровнях тока для повышения точности используется конфигурация Кельвина (4-проводная). Для более высоких токов внешний шунт располагается рядом с нагрузкой. Эти шунты имеют большие клеммы для сильноточных соединений и маленькие клеммы для соединений счетчика. Неиндуктивную конструкцию можно использовать для увеличения пропускной способности. Трансформаторы тока (ТТ) имеют первичную и вторичную обмотки на магнитном сердечнике. Переменный ток в первичной обмотке создает магнитное поле в сердечнике, которое индуцирует ток во вторичной обмотке. Как правило, первичная обмотка имеет очень мало витков толстого провода, а вторичная обмотка имеет много витков тонкого провода. Соотношение витков между первичным и вторичным током определяет понижающее отношение первичного и вторичного тока. В измерительных трансформаторах тока обычно используется тороидальный сердечник. В большинстве установок первичный проводник проходит через центр сердечника один раз (один первичный виток).
Поскольку магнитная изоляция разделяет первичную и вторичную цепи, системы высокого напряжения можно безопасно контролировать с помощью низковольтных приборов. Стандартные вторичные диапазоны составляют 1 ампер и 5 ампер. Этот уровень вторичного тока легко подключить к измерителю или удаленному монитору. Установка ТТ с твердым сердечником требует разрыва цепи для прокладки проводника через центр ТТ. ТТ с расщепленным сердечником обеспечивает удобную установку, поскольку не нужно разрывать цепь. Двухкомпонентный сердечник помещается вокруг провода и замыкается, образуя магнитную цепь. Это особенно полезно при установке ТТ вокруг сборной шины. Датчик Холла определяет наличие и величину магнитного поля. Выходное напряжение датчика прямо пропорционально силе этого поля. Для датчика тока на эффекте Холла вместо вторичной обмотки чувствительный элемент Холла помещается в зазор тороидального магнитопровода. Первичный проводник проходит через центр сердечника. Ток в первичном проводнике индуцирует поле в сердечнике, которое измеряется чувствительным элементом.
Датчики Холла обеспечивают бесконтактный изолированный метод измерения переменного и постоянного тока. Они бывают самых разных размеров, от миниатюрных датчиков для измерения микроампер до больших устройств для контроля тысяч ампер. Доступны как сплошные, так и зажимные (разъемные) стили. Хотя эти продукты могут быть похожи на стандартные трансформаторы тока, требуется специальное преобразование сигнала. Эта схема может быть включена в датчик или встроена в счетчик. Катушка Роговского представляет собой тороид из проволоки, который измеряет переменный ток, протекающий по проводнику, окруженному тороидом. Катушка намотана на немагнитную форму. Выход катушки подключен к схеме интегратора, которая генерирует выходное напряжение, пропорциональное току в проводнике. Датчики Роговского могут измерять небольшой переменный ток даже при наличии большой постоянной составляющей. Отсутствие железного сердечника обеспечивает линейный выход даже при больших токах перегрузки. Их низкая индуктивность реагирует на быстро меняющиеся токи и гармоники.
