Токочувствительные (current sensing) чип резисторы компании Panasonic

Главная / Новости / Новости «Panasonic» / Токочувствительные (current sensing) чип резисторы компании Panasonic

Введение

В современном мире электроники и автоматики люди не задумываются сколько процессов, связанных с их жизнью, происходят без участия человека. Будь то зарядка аккумуляторной батареи телефона или электрокара, переключение светофора или управление атомным реактором. Все эти процессы происходят без прямого участия человека, человек выполняет лишь функцию оператора, а управление осуществляется автоматически.

В настоящее время выпускается все больше и больше интеллектуальных устройств и очень часто, жизненно важно контролировать процессы, происходящие внутри электроники. Чтобы электроника работала без сбоев, не выходила из строя и служила максимально долго, крайне важно осуществлять контроль этих процессов.

Процесс контроля процессов, происходящих внутри электронных устройств, зачастую осуществляется методом контроль токов, протекающих в цепях.

Существуют различные способы контроля токов, происходящих в электрических цепях электроники. Поэтому современные электронные устройства имеют в своем составе ряд сенсоров. Точность контроля зависит от точности выполняемых измерений, и точный контроль силы протекающего тока является одной из важнейших функций. Один из самых распространенных, простых, высокоточных и недорогих способов измерения токов, протекающих в электрических цепях с помощью резисторов.

Резистор и их типы

Резисторы являются самым используемыми компонентами в электронных схемах и занимают примерно 25% позиций в БоМе. В тоже время резистор считается самой простой деталью схемы, зачастую не требующей пристального внимания. Тем не менее незаметный, на фоне полупроводниковых микросхем и других компонентов, резистор выполняет очень важные функции и без резисторов не смогла бы работать практически ни одна электронная схема.

Резисторы — это пассивные элементы, выполняющие ряд второстепенных, но важных функций. Резистор, по определению – сопротивление (от латинского «resisto»), технологически же резистором можно считать любой материал, будь то кусок медного провода, вольфрамовая нить или полоска полупроводникового материала.

Казалось бы, что такого важного в резисторе, но сложно представить современные электронные схемы без тех функций, которые выполняют резисторы: преобразование силы тока в напряжение и наоборот, ограничение протекающего тока, создание делителей напряжения, подавление радиопомех и др.

Существует несколько различных типов резисторов, отличающихся своими параметрами, вариантами исполнения и функциональным назначением: SMD (чип) резисторы, выводные резисторы, проволочные резисторы, токочувствительные резисторы, термисторы, потенциометры и реостаты.

Особую роль играют резисторы в цепях прецизионных схем, где изменение параметров резистора ведет к негативным последствиям. Рассмотрим причины важности правильного выбора резисторов и варианты их применения на основе токочувствительных резисторов.

В качестве параметра, на основе которого можно проводить измерения, контроль и диагностику электронных схем является протекающий в них ток. Такой способ измерения является одним из самых распространенных, и недооценка важности корректного измерения силы тока приводит к дальнейшим проблема работы устройств и добавляет трудностей разработчикам и инженерам, обслуживающим электронику.

Измерение динамического тока всегда было важным параметром для управления производительностью системы и это стало еще более важным с распространением более интеллектуальных функций управления устройств и систем.

Основы измерения тока

Существуют различные способы измерения тока, но измерение тока, протекающего на участке цепи, путем измерения напряжения на резисторе, является самым простым, недорогим и достаточно точным способом. К тому же резисторы не восприимчивы к электромагнитным помехам и имеют компактные размеры.

Способ измерения тока с применением токочувствительного резистора основан на законе Ома (V=IxR), заключается он на измерении падения напряжения на встроенном последовательно с нагрузкой резистором с известным значением сопротивления, и последующим вычислением тока.

Несмотря на видимую простоту и эффективность, такой способ измерения тока имеет ряд конструктивных проблем и тонкостей, которые необходимо учитывать при конструировании устройства. Поскольку токочувствительный резистор включается в цепь последовательно нагрузке он не должен оказывать существенное влияние на ток в цепи, поэтому номинальные значения сопротивления таких резисторов составляют от единиц ом до долей миллимом. Однако, при выборе измерительного резистора с низким значением может сложится ситуация, что падение напряжения на резисторе может стать сопоставимым с входным напряжением смещения расположенной далее аналоговой цепи нормирования сигнала, что отрицательно скажется на точности измерения.

Если измеряемый ток содержит значимую высокочастотную составляющую, необходимо, что бы измерительный резистор обладал малой собственной индуктивностью, из-за возникшего реактивного напряжения на нем, которое может влиять на точность измерения.

Одним из ограничивающих факторов применения токоизмерительных резисторов является рассеиваемая на них мощность (Pрез. = I²xUрез.), и связанную с этим проблему теплоотведения, поэтому токочувствительные резисторы редко применяются в цепях с током более 100А.

Еще один важный вопрос, с которым приходится сталкиваться разработчикам электроники, это вопрос обеспечения электрической изоляции между силовой цепью и токоизмерительной схемой.

Существуют два основных способа измерения тока: со стороны нижнего плеча (low-side), когда измерительный резистор включается в цепь между нагрузкой и «землей» (Рис. 1) и со стороны верхнего плеча «high-side», когда резистор включается со стороны источника питания (между нагрузкой и источником питания). У каждого из этих методов измерения есть свои преимущества и недостатки.

Рисунок 1. Low-side принцип измерения тока (резистор между нагрузкой и «землей»).

Топологию измерения тока со стороны нижнего плеча (low-side), так же часто называют топологией с «общей» цепью, простая в исполнении и наиболее бюджетная, имеет низкое входное синфазное напряжение, но имеет свой недостаток, влияющий на точность измерений, она подвержена помехам от заземляющей цепи.

Так же такой способ измерения тока не дает возможности обнаружить протекание тока в «землю» через нагрузку при коротком замыкании.

Применение данной топологии измерения тока является целесообразным, когда требуется простота и дешевизна и не требуется контроль короткого замыкания, а помехи от заземляющей цепи допустимы.

Способ измерения тока со стороны верхнего плеча «high-side», когда резистор включается со стороны источника питания (между нагрузкой и источником питания) (Рис. 2), исключает попадание помех в токоизмерительную цепь, позволяет контролировать ток утечки в случае пробоя и возникновения короткого замыкания.

Рисунок 2. High-side принцип измерения тока (резистор между нагрузкой и источником).

Однако такая измерительная схема подвержена высоким динамическим изменениям синфазных входных напряжений, требует усложнения конструкции, повышает ее стоимость и требует компоненты с высоким рабочим напряжением.

Поскольку токочувствительный резистор не должен оказывать существенного влияния на протекающий в цепи ток, он имеет маленькое номинальное сопротивление, в результате чего падение напряжения на резисторе имеет малые величины и часто требует усиления перед преобразованием значений.

Таким образом конфигурация цепи для измерения тока основанная на токочувствительном резисторе включает в себя аналоговый усилитель (как правило операционный усилитель ОУ), АЦП для преобразования напряжения в цифровое представление и микроконтроллер.

Резистор, усилитель, АЦП и микроконтроллер могут быть как самостоятельными микросхемами, так и единым блоком системы на кристалле (SoC).

Важно при выборе токочувствительного резистора учитывать все его физические величины: номинальное сопротивление, точность, рассеиваемую мощность, тепловой коэффициент (TCR) и тепловую ЭДС, влияющие на точность измеряемых параметров. С учетом того, что на резисторе рассеивается мощность, вызывающая дополнительный нагрев микросхем, влияющий на конечную точность измерений, в системах с высоким током рекомендуется использовать внешние токочувствительные резисторы.

Выбор токоизмерительного резистора

При использовании токоизмерительного усилителя в разработке, весьма важен выбор параметров токочувствительного 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.

Тепловая ЭДС токочувствительного резистора является еще одной важной характеристикой. Токочувствительные резисторы должны работать в широком диапазоне токов. Когда ток низкий, тепловая ЭДС резистора добавляет измерительную ошибку к напряжению, создаваемому протекающим через резистор током. Это напряжение ошибки должно быть значительно меньше, чем наименьшее ожидаемое напряжение, создаваемое протекающим через токочувствительный резистор током, сводя к минимуму ошибку измерения.

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 в недорогих резисторах с классом точности менее 1% наблюдается изменение рабочих параметров под влиянием температуры.

Рекомендации по монтажу

Несмотря на их внешний вид, современные токочувствительные резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление токочувствительного резистора фактически состоит из трех частей (рис. 3). Во-первых, есть сопротивление самого резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к резистору. Сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами токочувствительные резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения чувствительные погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях резистора.

Рисунок 3. Токовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого резистора (Rsens), 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 токочувствительному резистору (рис. 4).

При этом чрезвычайно большое значение для сохранения точности измерения имеет также правильная трассировка цепей между токоизмерительным резистором и усилителем тока на печатной плате. 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 4 показаны различные варианты подключений для контроля тока, протекающего через резистор.

Рисунок 4. Технология монтажа токоизмерительного резистора а), б), в), г

Одной из наиболее распространенных ошибок является подключение входов чувствительного по току усилителя к дорожкам печатной платы, показанное на рисунке 4а, вместо непосредственного подключения к резистору.

Другие допустимые варианты подключения к резистору для измерения тока представлены на рисунках 4б…г. Показанная на рисунке 4г компоновка использует независимое двухпроводное подключение для каждого вывода токоизмерительного резистора. Такой метод наиболее часто используется для резисторов с сопротивлением менее 0,5 мОм, когда паяное соединение способно серьезно изменить сопротивление цепи. 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 4в. Если значение резистора было измерено на боковой стороне площадок – компоновка, показанная на рисунке 4б, даст наивысшую точность.

Резисторы Panasonic

Компания Panasonic – один из крупнейших мировых производителей электронных компонентов, предлагает более 35 серий токочувствительных резисторов с общим числом элементов более 13 000 наименований.

Все резисторы Panasonic выполнены по специальной технологии «мягкого контакта» (Soft Termination Technology) рис. 5, уменьшающей влияние разностного теплового расширения резистора и PCB, обеспечивающей высокую надежность резисторов и устройства в процессе эксплуатации.

Рисунок 5. Технология производства резисторов с использованием «мягкого контакта»

Разность теплового расширения материалов имеет коэффициент теплового расширения CTE (Coefficient of Thermal Expansion), в процессе пайки и эксплуатации резисторы подвергаются постоянному воздействию механических вибраций и температуры, в результате которых материалы резисторов и PCB сужаются и расширяются с разными значениями. На область припоя (галтели) рис.6 воздействует механическое напряжение, которое может привести к разрушению припоя и/или структуры резистора, увеличить контактное сопротивление, вызвать дополнительный нагрев, ухудшить параметры резистора и привести к выходу из строя как самого компонента, так и устройства в целом. Технология «мягкого контакта» в резисторах Panasonic нивелирует разницу TCE и обеспечивает целостность структуры в течение всего срока эксплуатации.

Рисунок 6. Результат разрушения галтели при разности CTE

Для большего уменьшения влияния сторонних факторов на резисторы, компания Panasonic предлагает резисторы с широкими контактными площадками серии ERJA1, ERJB1, ERJB2, ERJB3, ERJD1, ERJD2 или двойным резистивным слоем серии ERJ2LW, ERJ3LW, ERJ6LW, ERJ2BW, ERJ3BW, ERJ6BW, ERJ8BW, ERJ6CW, ERJ8CW обеспечивающие дополнительную надежность компонентов и схемы в целом.

Резисторы, изготовленные в корпусах с широкой контактной площадкой, обеспечивают рассеивание тепла по всей площади элемента, снижают вероятность разрушения резистора и точек пайки. Кроме того в резисторах с широкими контактами используется технология разделения резистивного слоя на отдельные сегменты и применение компенсационных прорезей в резистивном слое, обеспечивающие превосходные температурные характеристики резистора рис. 7. Материала резистивного слоя, на основе медно-никелевого сплава, примененный при производстве резисторов, обладает низким температурным коэффициентом и позволяет достигнуть максимального уровня рассеивания тепла и отменных температурных характеристик резисторов в процессе эксплуатации рис.8.

Рисунок 7. Структура резистора с широкой контактной площадкой

Рисунок 8. а) теплоотведение резистора с раздельными сегментами, б) обычный резистор

Применение в резисторах двухстороннего резистивного слоя позволяет уменьшить размеры требуемой площади на плате до 45%, увеличить мощность рассеяния резисторов, улучшить характеристики резистора, уменьшить номинальное сопротивление резистора, обеспечить надежность и увеличить срок службы рис. 9.

Рисунок 9. Структура резистора с двусторонним резистивным слоем

Т.к. мощность рассеяния резисторов с двусторонним расположением резистивного слоя выше, а допустимые номиналы сопротивления резисторов ниже, чем у обычных резисторов, такие резисторы способны работать с более высокими токами, что позволяет сохранить площадь платы, и повысить надежность устройства.

Применение

Современные электронные устройства, это сложные устройства с множеством внутренних процессов. И контроль этих процессов является важной и неотъемлемой частью. Основным способом осуществления контроля, является измерение тока, протекающего в цепях электронного устройства. Применение токоизмерительных резисторов в электронике один из самых распространенных, недорогих и высокоточных способов измерения тока.

Гигантская популярность современных мобильных телефонов, гаджетов, мобильных вычислительных машин, автономных и переносных устройств, счетчиков ресурсов, систем умного дома и другой электроники требует громадное количество элементов питания, используемых в этих устройствах. И очень важно осуществлять контроль разряда и заряда этих элементов питания, позволяющего продлить срок службы, как элементов питания, так и самих устройств. Простым, надежным, точным и не дорогим способом контроля, является контроль протекающего тока на основе токоизмерительных резисторов.

Большинство современных блоков питания или драйверов для светотехники являются достаточно интеллектуальными приборами, контролирующими массу входных и выходных параметров, таких как наличие короткого замыкания, наличие/отсутствие нагрузки, коррекция мощности, контроль заряда аккумулятора, контроль выходного напряжения и тока. Контроль многих параметров источников питания осуществляется на основе токоизмерительных резисторов.

Робототехника и автоматика неотъемлемая часть современной жизни человека, поднимается лифт, перемалывается кофе в кофе машине, крутится вентилятор, катится электросамокат, работает вытяжка на кухне, работает шуруповерт, все эти устройства используют электромоторы. Многие из схем управления электромоторов этих устройств включают в себя токочувствительные элементы на основе резисторов позволяющие осуществлять контроль и функции защиты.

Современный автомобиль, это порой серьезный вычислительный центр, со множеством мультимедийных, коммуникационных и силовых электронных блоков, содержащий десятки электромоторов, силовых и сигнальных цепей, и высокой степенью контроля средств управления и безопасности автомобиля. Для обеспечения высокой надежности систем автомобиля, крайне важно контролировать электрические процессы и протекающие токи в цепях. Системы контроля токов на основе токоизмерительных резисторов Panasonic способны обеспечить высокую точность и надежность.

Заключение

Технология измерения тока посредством преобразования напряжения с помощью токочувствительных резисторов, в силу простоты схемного решения, стоимости, точности и надежности, является наиболее распространенной в современной электронике.

Уникальная технология производства резисторов, их высокое качество, подтвержденное наличием сертификатов, регламентированных для применения в автомобильной электронике, AEC-Q200, позволяет проектировать и создавать высоконадежные системы контроля и управления с применением токочувствительных резисторов Panasonic. Широкая номенклатура токочувствительных резисторов позволит подобрать требуемые элемент.

Описание	Серия резисторов	Типоразмер	Диапазон сопротивлений, Ом	Точность, %	T.C.R (ppm)	Мощность рассеяния, Вт	Диапазон рабочих температур, °C
Стандартные низкоомные толстопленочные резисторы	ERJ12RS ERJ12ZS ERJ14RS ERJ1TRS ERJ3RS ERJ6RS ERJ8RS	0402 0603 0805 1206 1210 1812 2010/ 2512	0. 1…0.2	0.5 – D 1 – F 2 – G 5 — J	100 150 200 250 300	0.1 0.125 0.166 0.25 0.33 0.5 1	-55…+155
Стандартные низкоомные толстопленочные резисторы	ERJ12RQ ERJ12ZQ ERJ14RQ ERJ1TRQ ERJ3RQ ERJ6RQ ERJ8RQ	0402 0603 0805 1206 1210 1812 2010/ 2512	0.22…9.1	0.5 – D 1 – F 2 – G 5 — J	100 150 200 250 300	0.1 0.125 0.166 0. 25 0.33 0.5 1	-55…+155
Низкоомные толстопленочные резисторы повышенной мощности	ERJ14BS ERJ14BQ ERJ2BS ERJ2BQ ERJ3BS ERJ3BQ ERJ6BS ERJ6DS ERJ6BQ ERJ6DQ ERJ8BS ERJ8BQ	0402 0603 0805 1206 1210	0.1…9.1	0.5 – D 1 – F 2 – G 5 — J	100 150 200 250 300	0.166 0.25 0.33 0.5	-55…+155
Низкоомные толстопленочные резисторы с низким TCR	ERJL12 ERJL14 ERJL1D ERJL1W ERJL03 ERJL06 ERJL08	0603 0805 1206 1210 1812 2010 2512	0. 02…0.1	1 – F 5 — J	100 200 300	0.2 0.25 0.33 0.5 1	-55…+125
Низкоомные толстопленочные резисторы с двухсторонним резистивным слоем, повышенной мощности	ERJ2BW ERJ2LW ERJ3BW ERJ3LW ERJ6BW ERJ6CW ERJ6LW ERJ8BW ERJ8CW	0402 0603 0805 1206	0.05…0.1	0.5 – D 1 – F 2 – G 5 — J	75 100 150 200 250 300 500 700	0.2 0.25 0.33 0.5 1	-55…+155
Низкоомные толстопленочные резисторы с широкими выводами, высокой мощности	ERJA1 ERJB1 ERJB2 ERJB3	1225 1020 0612 0508	0. 05…1M	1 – F 2 – G 5 — J	100 150 200 300	0.33 0.75 1 1.33	-55…+155
Низкоомные толстопленочные резисторы с широкими выводами, низким TCR	ERJD1 ERJD2 ERJD3	1020 0612 0508	0.05…0.2	1 – F 5 — J	100	0.5 1 2	-55…+155

Доступность:

Резисторы Panasonic находятся в массовом производстве и доступны для заказа.

Ресурсы:

 

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. 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.

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора  (R_shunt), сопротивление двух выводов резистора (R_lead) 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).

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 (R_sense), 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

Использование резисторов для повышения эффективности системы

Что такое резисторы измерения тока?

Токоизмерительные резисторы или шунтирующие резисторы — это устройства, используемые для измерения тока. Они обнаруживают и преобразуют ток в измеренное выходное напряжение. Токоизмерительные резисторы обычно представляют собой маломощные резисторы большой мощности. Они рассчитаны на низкое сопротивление, чтобы свести к минимуму энергопотребление и исключить риск короткого замыкания, которое может привести к повреждению других компонентов.

Пропорциональное соотношение между напряжением и током в соответствии с законом Ома позволяет цепи датчика измерять ток, подаваемый на нагрузку, в режиме реального времени. Это экономичный и простой метод измерения расхода тока, который используется для смягчения последствий коротких замыканий или перегрузок и для максимального повышения эффективности электрических систем.

Компания TT ​​Electronics предлагает полный спектр резисторных технологий и широкий ассортимент стандартной продукции, а также индивидуальные инженерные решения. Мы стремимся оставаться на вершине конкурентных ландшафтных инженеров, с которыми сегодня сталкиваются при проектировании текущей системы измерения расхода.

В этой статье мы обсудим основы токоизмерительных резисторов, выбор и использование резисторов, а также их различные применения в различных отраслях промышленности с примерами.

Нет времени читать все руководство прямо сейчас?

Позвольте мне отправить вам копию, чтобы вы могли прочитать ее, когда вам будет удобно. Просто дайте мне знать, куда его отправить (займет 5 секунд): 

Главы

и подборка 4Советы по проектированию с помощью токоизмерительных резисторов для точного измерения тока

Глава 1

Токоизмерительные резисторы: экономичное измерение расхода тока

Токоизмерительные резисторы обычно располагаются на пути проводимости между источником питания и нагрузкой. Деталь обычно проектируется для чрезвычайно низких значений сопротивления, чтобы свести к минимуму падение напряжения и потери мощности. Типичные значения сопротивления для токоизмерительных резисторов находятся в миллиомах.

Лежащая в основе теория токоизмерительных резисторов следует принципам работы стандартных электрических резисторов. Однако в то время как стандартный резистор в основном используется для регулирования тока, токочувствительный резистор используется для контроля.

Часто их подключают к усилителям, чтобы свести к минимуму влияние шума при сохранении определенного уровня разрешения. Если последующая схема находится под напряжением, отличным от тока пути, используется разделительный усилитель. Это не обязательная конфигурация, но выбор между изолированными и неизолированными цепями является ключевым вопросом, который необходимо задать при проектировании системы измерения текущего расхода.

Падение напряжения является важным показателем при выборе токоизмерительного резистора. Установка токоизмерительного резистора между источником питания и нагрузкой вызовет некоторое рассеивание мощности из-за падения напряжения при прохождении тока через резистор. Это представляет собой потерянную мощность, которая не достигает нагрузки и вместо этого рассеивается в виде тепла, что может еще больше повлиять на производительность устройства.

Глава 2

Четыре распространенных метода измерения тока

Первая задача проектировщика, которому нужно измерить ток, — это выбрать, какой из четырех стандартных методов измерения тока использовать.

Они перечислены ниже с указанием преимуществ и недостатков каждого из них. Токоизмерительные резисторы с такими преимуществами , как низкая стоимость и точное широкополосное измерение , часто являются лучшим решением.

[источник]

Глава 3

Как выбрать и использовать токоизмерительный резистор:

Размеры и выбор печатная плата. Есть много вопросов, связанных с этой фундаментальной задачей. Некоторые из них включают в себя использование изолированного или неизолированного датчика, использование датчиков высокого или низкого уровня и предоставление аналогового входного каскада для датчика (например, изолированный/неизолированный, максимальное синфазное напряжение и т. д.). .

Из соображений производительности, простоты и стоимости измерение тока на стороне высокого напряжения с помощью резистора с дискретным датчиком является одним из наиболее распространенных подходов. Резистор помещается между шиной питания и нагрузкой, и измеряется напряжение на резисторе. По основному применению закона Ома I = V/R, поэтому ток легко определить.

 

Измерительный резистор верхнего плеча часто используется для измерения тока нагрузки через падение ИК-излучения на ней; здесь он показан с изолирующим усилителем между резистором и входным каскадом и аналого-цифровым преобразователем.

 

Первый и наиболее очевидный вопрос:

«Каково правильное значение чувствительного резистора?» Именно здесь простой инженерный вопрос раскрывает дилемму компромисса.

С одной стороны, вы бы хотели, чтобы этот резистор был достаточно большим, чтобы напряжение на нем достигало нескольких вольт. Это повышает точность показаний за счет повышения отношения сигнал/шум (SNR), минимизирует влияние шума и поддерживает значимое разрешение в нижней части диапазона.

Но напряжение на резисторе также имеет несколько недостатков. Он вычитается из напряжения, подаваемого на нагрузку, и его присутствие может нарушить любое регулирование с обратной связью, поскольку реальная нагрузка теперь последовательно с этим промежуточным элементом.

Кроме того, он рассеивает мощность по базовому расчету I ² R. Этот последний фактор имеет два аспекта:

1. Он представляет собой потерю мощности, не поступающую в нагрузку, что снижает эффективность системы.
2. Это тепло, которое необходимо отводить, и оно может повлиять на надежность.

Быстрый расчет проясняет проблему. Предположим скромный максимальный ток 10 А и резистор 0,5 Ом. Максимальное напряжение на резисторе будет 5В, что, несомненно, является хорошим значением для точного измерения. Тем не менее, потеря 5 В от запаса по питающей шине и тепловыделение 50 Вт, вероятно, будут серьезными проблемами.

Этот компромисс позволяет решить, что в большинстве конструкций со средним и высоким током размер резистора остается небольшим, порядка нескольких миллиом и менее, например серия LMRA от TT Electronics с диапазоном сопротивления от 0,5 мОм до 300 мОм.

Однако это означает, что интерфейс резистора должен улавливать относительно небольшие напряжения и их изменения, что требует тщательной компоновки и хорошего отношения сигнал/шум. Проблема усугубляется тем, что номинальная мощность резистора должна соответствовать рассеиваемой мощности, которая легко может достигать многих ватт, поскольку рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока.

По этой причине доступны токоизмерительные резисторы в миллиомах с номинальной мощностью от долей ватта до десятков ватт и выше. Например, LRMAP39.Серия 20 низкоомных силовых резисторов из металлических сплавов предлагает стандартную номинальную мощность до 5 Вт и номинальную мощность тепловой подложки до 10 Вт при значениях сопротивления от 0,2 мОм до 3 мОм.

Несмотря на небольшую площадь основания 5,2 мм × 10 мм серии низкоомных мощных резисторов из металлических сплавов LRMAP3920, они могут рассеивать до 5 Вт и иметь номинальную мощность тепловой подложки до 10 Вт.

 

Резистор должен располагаться в месте, обеспечивающем адекватное охлаждение, и может потребоваться радиатор с большими медными площадями. Поскольку такой резистор состоит в основном из сварных металлических элементов, температура, при которой может работать такой резистор, ограничена только необходимостью предотвращения приближения паяных соединений к температуре плавления. Как правило, поддерживается температура элементов до 170°C, что делает их пригодными для использования в автомобилях под капотом.

Для токоизмерительных резисторов компоновка печатной платы имеет решающее значение для достижения точного результата. Даже для двухвыводных резисторов дорожки соединения должны быть сконфигурированы по схеме с четырьмя проводами по шкале Кельвина . Следует избегать включения медной дорожки в цепь измеряемого тока; даже если ошибку сопротивления можно откалибровать, это привнесет в схему ненужную температурную чувствительность.

Вывод: выбор конкретного значения, стиля и установки даже компонента, производительность которого можно полностью понять с помощью двух основных уравнений, а именно, V = IR и P = I ² R – включает в себя компромиссы, ограничения и конкурирующие приоритеты.

Что такое конфигурация Кельвина?

Резистор конфигурации Кельвина имеет четыре провода или клеммы. Четырехполюсное измерение также известно как «измерение Кельвина в честь Уильяма Томсона, лорда Кельвина, который изобрел мост Кельвина в 1861 году для измерения очень низких сопротивлений с использованием четырехполюсного измерения». [источник] 

Эти резисторы с четырьмя выводами позволяют подавать ток через два противоположных вывода и измерять напряжение считывания через два других вывода. Конфигурация Кельвина эффективно устраняет сопротивление и температурный коэффициент проводов.

Глава 4

Разработка наконечников с токоизмерительными резисторами для точного измерения тока

1. Выбор наилучшего омического сопротивления

Выбор наилучшего омического сопротивления является вопросом баланса. Если оно слишком велико, то мощность будет растрачиваться впустую, будет выделяться избыточное тепло, а регулировка напряжения будет нарушена. Если оно слишком низкое, то напряжение считывания будет соответственно низким, поэтому проблемы с шумом и разрешением будут ограничивать точность измерения.

2. Выбор правильной мощности

Номинальная мощность иногда зависит от конструкции печатной платы, а также от выбора компонентов.

3. Выбор технологии резисторов

Для разных применений требуются разные технологии резисторов. Многие токоизмерительные резисторы относятся к категории технологии объемных металлов. Это означает, что элемент представляет собой самонесущий элемент из резистивного металлического сплава.

4. Оптимизация конструкции печатной платы

Конструкция дорожек печатной платы вокруг токоизмерительных резисторов обычно более критична для производительности, чем для обычных резисторов.

5. Управление тепловыделением

Независимо от того, требует ли ваша конструкция, чтобы резистор рассеивал мощность, составляющую значительную часть его номинальной мощности, или чтобы резистор имел минимальное повышение температуры для минимизации ошибок TCR, важно понимать, как и где будет отводиться тепло. это пойдет.

6. Допуск на скачки тока

Часто конструкция должна выдерживать высокие скачки тока выше максимального тока, который необходимо точно измерить.

7. Снижение номинальных характеристик при высокой температуре

Как и для любого резистора, если температура окружающей среды выше номинальной температуры, необходимо применить снижение номинальных характеристик.

8. Понимание термо-ЭДС

При использовании шунта с металлическим элементом с высоким рассеиванием тепла и низким напряжением считывания может потребоваться рассмотрение термоэлектрических напряжений.

9. Уменьшение индуктивных ошибок

Сочетание сильноточного пути и низкого напряжения сигнала делает цепи токоизмерительных резисторов особенно уязвимыми к индуктивным ошибкам.

10. Объединение нескольких резисторов

Разработчики иногда вынуждены использовать более одного резистора для измерения тока, подключенного параллельно, либо для обеспечения высокой мощности или номинального перенапряжения, либо для достижения омического значения ниже минимально доступного.

Полная статья: 10 советов по проектированию с помощью токоизмерительных резисторов

Заключение

Измерение тока необходимо для управления производительностью системы.

TT Electronics — один из ведущих мировых поставщиков прецизионных электрических компонентов.

Мы поставляем экономичные токоизмерительные резисторы, соответствующие требованиям RoHS, для широкого спектра применений, предоставляя инженерам в различных областях электроники практичные решения для измерения тока.

Что такое токоизмерительный резистор? Различные типы, технические характеристики, выбор и руководство по применению резисторов для датчиков тока

Измерение протекающего тока является важным моментом во многих силовых и электронных приложениях. Часто измерение тока требуется для мониторинга и управления приложением, например, схема зарядного устройства требует метода измерения тока для правильной зарядки аккумулятора и определения зарядного тока с точки зрения драйвера и контроллера. В зависимости от типа применения существует множество типов датчиков тока с различными методами измерения тока, которые используются для измерения или обнаружения протекания тока. Наиболее часто используемыми и экономически эффективными решениями для измерения тока являются шунтирующий датчик тока метод. Шунтирующий датчик тока, также известный как чувствительный резистор , аналогичен базовому резистору, но с очень низким значением сопротивления. В этой статье мы подробнее расскажем об этом датчике, о том, как он работает, о его типах и о том, как вы можете использовать его в своих проектах.

 

Что такое токовый резистор?

Токочувствительные резисторы аналогичны обычным резисторам, но имеют очень низкое сопротивление и большую мощность. Эти шунтирующие резисторы с известным значением резистора (R) помещаются в токопроводящую цепь таким образом, что весь измеряемый ток (I) протекает через резисторы. Теперь, измерив падение напряжения (V) на резисторе и используя простой закон Ома (I=V/R), мы можем рассчитать величину тока, протекающего через цепь. Давайте рассмотрим это подробно.

 

В электронике шунт означает создание другого пути к цепи. Шунтирующие резисторы делают то же самое и создают путь с очень низким сопротивлением для прохождения тока от одного участка цепи к другому участку цепи. На этом пути всякий раз, когда ток проходит через область с низким сопротивлением, независимо от величины протекающего тока, можно измерить, какой ток протекает через цепь.

 

Поскольку это сопротивление и из-за протекания тока на шунтирующем резисторе возникает падение напряжения. это Падение напряжения прямо пропорционально протеканию тока . Если ток увеличивается, падение напряжения также увеличивается. Эта зависимость подчиняется закону Ома.

То есть

V = I x R 

Где V — падение напряжения на шунтирующем резисторе, I — скорость протекания тока, а R — сопротивление шунтирующего резистора в Омах. Следовательно, если сопротивление статическое, например, 1 Ом для всех случаев, V зависит от I.

Но выбор этого шунтирующего сопротивления имеет решающее значение для точного считывания тока без ущерба для общей производительности схемы. Но прежде чем правильно подобрать шунтирующий резистор, важно узнать параметры шунтирующих резисторов . Для различных приложений могут потребоваться разные шунтирующие резисторы, где параметры каждого шунтирующего резистора изменяются в зависимости от требований приложения.

 

Параметры шунтирующего резистора

Шунтирующие резисторы представляют собой особый тип резисторов. Он отличается от традиционно используемых резисторов в электронных схемах. Обычные резисторы используются для работы с очень малым током и обычно используются при стандартных температурах окружающей среды, таких как 0-85 градусов по Цельсию. Но, шунтирующие резисторы имеют очень широкий диапазон температурных коэффициентов из-за протекания через них огромного тока.

 

Основное различие между стандартным резистором и шунтирующим резистором заключается в температурном коэффициенте термоЭДС. В обычных резисторах термо-ЭДС игнорируется, но в шунтирующих резисторах, в зависимости от температуры, два разных проводящих материала создают переменное напряжение. Таким образом, выбор шунтирующего резистора из материала элемента является важным моментом. В большинстве случаев манганин (термо-ЭДС -3,0 мкВ / oC с отличным диапазоном температурных коэффициентов) используется для изготовления шунтирующего резистора с открытым лезвием. Таким образом, выбор правильного шунтирующего резистора не ограничивается только номиналом резистора и допуском.

 

Сопротивление и номинальная мощность шунтирующего резистора

Значение резисторов является важным параметром для шунтирующего резистора. Потому что значение будет определять, насколько упадет напряжение во время протекания тока.

 

Значение можно определить с точки зрения усилителя считывания тока. В зависимости от максимального протекающего тока и максимального входного напряжения усилителя измерения тока можно выбрать значение шунтирующего резистора. Однако большее значение влияет на номинальная мощность шунтирующего резистора и увеличивает рассеивание тепла .

Вышеупомянутая схема резистора измерения тока показывает, как шунтирующий резистор размещается на пути прохождения тока и как можно рассчитать падение напряжения на резисторе с помощью усилителя измерения тока . Вы можете узнать больше о том, как работают усилители измерения тока, следуя статье по ссылке.

 

Рассеиваемая мощность шунтирующего резистора можно определить по приведенной ниже формуле:

Рассеиваемая мощность = V x I 

 

Где V — напряжение, I — ток. Так как падение напряжения на шунтирующем резисторе можно определить по закону Ома. Рассеиваемая мощность шунтирующего резистора может быть определена с помощью-

Рассеиваемая мощность = I  2  R 

 

Таким образом, шунтирующий резистор с меньшим значением будет выделять меньше тепла и отменит использование дополнительного радиатора.

 

Значения шунтирующего резистора обычно составляют мОм. Номинал обычно подходит и обеспечивает меньшее рассеивание мощности при протекании сильного тока. Мощность резистора будет ниже, а размер будет намного меньше, что приведет к уменьшению площади печатной платы.

 

Однако рассеиваемую мощность шунтирующего резистора также можно определить с помощью значения PCR резистора. PCR означает Коэффициент сопротивления мощности (частей на миллион на ватт) и характеризует различные значения рассеиваемой мощности резисторов разного номинала.

 

Допустимое отклонение шунтирующего резистора

Поскольку в электронике нет ничего идеального, шунтирующие резисторы не являются исключением. Таким образом, допуск шунтирующих резисторов является важным параметром для точности определения шунтирующего резистора . Обычные универсальные резисторы имеют допуски 10%, 5% или даже 1%. Следовательно, резистор номиналом 10 Ом с допуском 10% будет иметь значение от 9 Ом до 11 Ом. Значение будет изменяться из-за температуры окружающей среды и других дополнительных зависимостей во время нормальной работы.

 

Однако в большинстве приложений допуски резисторов не будут иметь большого значения, но для приложений, где выход приложения сильно зависит от измеренного значения, допуск становится важным параметром, который необходимо учитывать.

 

Допустимое отклонение шунтирующего резистора составляет от 1 % до 0,1 %, однако требуемая точность полностью зависит от требований приложения, и резистор необходимо выбирать на основе этого параметра.

 

Температурный коэффициент шунтирующего резистора

TCR или Температурный коэффициент резистора (ppm/°C) — это параметр, который определяет, насколько изменится сопротивление при изменении температуры резистора. Это важный параметр в приложениях с шунтирующими резисторами, где он не имеет значения для резисторов общего назначения. Несложно определить значение в тысячах ppm на градус Цельсия для обычного 1%-ного резистора, но для шунтирующего резистора оно должно быть очень низким, поскольку из-за сильного тока рассеиваемая мощность шунтирующего резистора может быть больше, что повысит температуру резистора . Из-за повышенной температуры резистора значение резистора может быть изменено, что может привести к ошибочным показаниям.

 

Значение TCR зависит от материалов, используемых в качестве элементов резистора, в зависимости от допуска и номинальной мощности, а также физического размера резистора. Доступно несколько шунтирующих резисторов с очень низким значением TCR из-за элементов из металлической фольги, используемых в качестве материалов резистора.

На изображении выше показан резистор на основе металлической фольги от VISHAY FOIL RESISTORS с номером детали Y14880R00100D9R.

 

Размещение шунтирующего резистора в вашей конструкции

Шунтирующие резисторы можно разместить двумя способами: со стороны высокого напряжения и со стороны низкого напряжения. При размещении на стороне высокого напряжения шунтирующий резистор размещается поперек стороны высокого уровня нагрузки (положительной шины).

Такое размещение шунта широко используется, и часто требуется дифференциальный усилитель для измерения фактического тока, протекающего через резисторы. При размещении на стороне низкого напряжения шунтирующий резистор размещается на стороне низкого напряжения (земля или отрицательная шина) нагрузки.

Однако такое размещение смещает заземление нагрузки и часто затрудняет определение условий короткого замыкания нагрузки.

 

Оба варианта размещения шунтирующего резистора и, как всегда, вызывают падение напряжения на шунтирующем резисторе, которое можно использовать для измерения тока, протекающего через нагрузку, а также через резистор.

 

Как выбрать шунтирующий резистор для приложения

Важно выбрать шунтирующий резистор в зависимости от типа приложения, для которого он требуется. Если вам нужно быстрое тестирование, вы также найдете готовый модуль шунтирующего резистора, такой как INA219.Модуль шунтирующих резисторов.

 

Таким образом, первый шаг по выбору шунтирующего резистора важен, чтобы знать тип приложения . Особенно для усилителя тока или АЦП, какое входное напряжение, которое он поддерживает, как максимальное входное напряжение , является важным фактором для определения значения шунтирующего резистора. Поскольку выходное напряжение «V» зависит от протекания тока «I» через шунтирующий резистор со значением «R», состоящим из V = I x R. Следовательно, в зависимости от протекания тока и максимального входного напряжения воспринимаемой схемы, значение шунтирующего резистора может быть выбрано. Старайтесь выбирать номинал резистора в миллиомах.

 

Второй шаг — узнать номинальную мощность шунтирующего резистора . Так как на первом шаге номинал шунтирующего резистора уже выбран и будет известен максимальный протекающий ток, важно знать, какую мощность он будет рассеивать по формуле P = I ² Р. Поэтому, если значение меньше, рассеиваемая мощность будет меньше. В зависимости от рассеиваемой мощности, например, резистор номиналом 50 мОм будет пропускать максимальный ток 2А, мощность будет рассеиваться 2 ² х 0,05 Ом = 0,2 Вт. Безопаснее использовать мощность, превышающую номинальную, для шунтирующего резистора. Таким образом, вместо шунтирующего резистора на 0,25 Вт можно использовать резистор не менее 0,375 Вт, чтобы быть в безопасности.

 

Третий шаг — узнать допуск и требуемый пакет для шунтирующего резистора. Хорошим выбором является шунтирующий резистор с допуском менее 1%. Но если приложение требует большей точности, можно также использовать шунтирующие резисторы с допуском от 0,5% до 0,1%. После выбора значения, номинальной мощности и допуска важно использовать правильный корпус, который легко паять, а также иметь меньшие размеры для небольших площадей печатной платы. Попробуйте выбрать резистор с очень низким значением TCR ниже 100 ppm/°C.

 

Эталонный проект токочувствительного шунтирующего резистора – практический пример

Ниже приведен практический пример выбора шунтирующего резистора для схемы контроллера заряда солнечной батареи на основе MPPT . В приведенной ниже схеме используется LT3652, контроллер заряда MPPT от Linear Technology (аналоговые устройства). Однако, если мы посмотрим внимательно, батарея, которая будет заряжаться через эту цепь, является нагрузкой.

Нагрузка подключается с помощью шунтирующего резистора R6. R6 будет определять зарядный ток, что означает, что падение напряжения на этом R6 будет оставаться постоянным в каждом случае, поскольку V = I x R. R будет постоянным, V будет постоянным, драйвер будет изменять зарядный ток.

 

Для выбора шунтирующего резистора потребуются следующие вещи:

1. Постоянное напряжение, которое будет использоваться микросхемой драйвера LT3652
2. Максимальный зарядный ток, который требуется передать аккумулятору через резистор.