Методы измерения тока в электронных схемах
В современной схемотехнике задача измерения тока является фундаментальной для обеспечения корректного функционирования многих систем, включая схемы управления электропитанием, мониторинга состояния аккумуляторных батарей, а также, например, цепей защиты электронных узлов от перегрузок. Выбор конкретной методики измерения определяется совокупностью факторов: требуемым диапазоном измеряемых величин, допустимыми потерями мощности, необходимой точностью, а также стоимостью и сложностью реализации.
В качестве базовых методов разберём использование низкоомных шунтирующих резисторов, использование специализированных микросхем, таких как ACS712.
Выбор номинала шунта представляет собой инженерную оптимизацию: увеличение сопротивления повышает полезный сигнал и помехоустойчивость системы, однако ведет к квадратичному росту рассеиваемой тепловой мощности и падению напряжения на нагрузке. Для минимизации влияния на эффективность системы в высокотоковых приложениях используются шунты с номиналами в диапазоне от единиц микроом до сотен миллиом.
При использовании резисторов с крайне малым сопротивлением (менее 10 мОм) существенное влияние на точность начинают оказывать сопротивления контактов, паяных соединений и дорожек печатной платы. Для исключения этих погрешностей применяется схема Кельвина (четырехточечное подключение), при которой силовые электроды, проводящие основной ток, отделены от измерительных электродов, по которым сигнал передается на вольтметр или усилитель.
Исследования показывают, что сопротивление припоя между контактной площадкой шунта и дорожкой платы может составлять от 10 до 100 мкОм. Для шунта номиналом 1 мОм такая добавка вносит погрешность до 10%, что недопустимо для систем мониторинга энергии. Применение специализированных посадочных мест с выделенными выводами (правый нижний пример на иллюстрации) позволяет достичь точности 0.1% и выше.
Основные недостатки метода измерения тока с помощью резистивного шунта:
Микросхема питается от 5 В. При нулевом токе на выходе Vout всегда присутствует напряжение 2.5 В (половина питания). При протекании тока напряжение отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от направления тока.
Выводы 1-2 и 3-4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы микросхема выдерживала силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 – 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ СКЗ.
К выводу 6 микросхемы — подключается внешний фильтрующий конденсатор CF, который образует простейший RC-фильтр вместе с внутренним резистором RF, последовательно включенным между выходом встроенного усилителя сигнала и входом выходной буферной схемы. Использование конденсатора CF приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и ограничению полосы пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости CF полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор CF емкостью 1 нФ.
Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь. Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:
Рекомендации по использованию ACS712:
Никогда не располагайте рядом с датчиком мощные трансформаторы или магниты — это вызовет дрейф "нуля" из-за наводок на датчик Холла.
При измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.
В качестве базовых методов разберём использование низкоомных шунтирующих резисторов, использование специализированных микросхем, таких как ACS712.
- Метод измерения тока с помощью шунтирующего резистора
- Микросхема ACS712
- Анализ эффективности и точности
- Практические рекомендации по внедрению
Метод измерения тока с помощью шунтирующего резистора
Метод измерения тока с помощью шунтирующего резистора (шунта) основывается на прямом применении закона Ома. При протекании электрического тока через резистор с известным номиналом возникает падение напряжения, которое прямо пропорционально величине тока.U = I · R
Несмотря на кажущуюся простоту, реализация высокоточного измерительного узла требует учета множества паразитных факторов и тепловых эффектов.
Физические основы и расчетные параметры
Основная концепция заключается в последовательном включении прецизионного низкоомного резистора в разрыв измеряемой цепи. Падение напряжения снимается с выводов резистора и подается на вход измерительного усилителя или аналого-цифрового преобразователя (АЦП).Выбор номинала шунта представляет собой инженерную оптимизацию: увеличение сопротивления повышает полезный сигнал и помехоустойчивость системы, однако ведет к квадратичному росту рассеиваемой тепловой мощности и падению напряжения на нагрузке. Для минимизации влияния на эффективность системы в высокотоковых приложениях используются шунты с номиналами в диапазоне от единиц микроом до сотен миллиом.
При использовании резисторов с крайне малым сопротивлением (менее 10 мОм) существенное влияние на точность начинают оказывать сопротивления контактов, паяных соединений и дорожек печатной платы. Для исключения этих погрешностей применяется схема Кельвина (четырехточечное подключение), при которой силовые электроды, проводящие основной ток, отделены от измерительных электродов, по которым сигнал передается на вольтметр или усилитель.
Исследования показывают, что сопротивление припоя между контактной площадкой шунта и дорожкой платы может составлять от 10 до 100 мкОм. Для шунта номиналом 1 мОм такая добавка вносит погрешность до 10%, что недопустимо для систем мониторинга энергии. Применение специализированных посадочных мест с выделенными выводами (правый нижний пример на иллюстрации) позволяет достичь точности 0.1% и выше.
Основные недостатки метода измерения тока с помощью резистивного шунта:
- нагрузка не имеет прямой связи с «землей» (может влиять на помехи)
- нелинейность измерений, обусловленная температурным дрейфом сопротивления резистора
- отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и схемой измерения
Микросхема ACS712
В отличие от шунта, ИС ACS712 использует эффект Холла. Микросхема состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока. Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока.Микросхема питается от 5 В. При нулевом токе на выходе Vout всегда присутствует напряжение 2.5 В (половина питания). При протекании тока напряжение отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от направления тока.
Выводы 1-2 и 3-4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы микросхема выдерживала силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 – 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ СКЗ.
К выводу 6 микросхемы — подключается внешний фильтрующий конденсатор CF, который образует простейший RC-фильтр вместе с внутренним резистором RF, последовательно включенным между выходом встроенного усилителя сигнала и входом выходной буферной схемы. Использование конденсатора CF приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и ограничению полосы пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости CF полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор CF емкостью 1 нФ.
Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь. Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:
- ±5 А (ACS712-05B) - чувствительность 185 мВ/А
- ±20 А (ACS712-20B) - чувствительность 100 мА/В
- ±30 А (ACS712-30A) - чувствительность 66 мВ/A
Рекомендации по использованию ACS712:
Никогда не располагайте рядом с датчиком мощные трансформаторы или магниты — это вызовет дрейф "нуля" из-за наводок на датчик Холла.
При измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.