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.
Особенности ACS712:
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.
Расчет тока выполняется исходя из чувствительности (Sens) выбранной модели: Стандартные значения чувствительности: Совет по помехоустойчивости: Для уменьшения шумов на выходе обязательно подключайте конденсатор (фильтр) к выводу 6 (FILTER) относительно земли. Мы в своих схемах обычно ставим 10 нФ. Никогда не располагайте рядом с датчиком мощные трансформаторы или магниты — это вызовет дрейф "нуля" из-за наводок на датчик Холла.
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. 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.
Микросхема ACS712
В отличие от шунта, ИС ACS712 использует эффект Холла. Ток протекает через внутреннюю медную шину, создавая магнитное поле, которое преобразуется встроенным датчиком в пропорциональное напряжение.Особенности ACS712:
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.
Расчет тока выполняется исходя из чувствительности (Sens) выбранной модели: Стандартные значения чувствительности: Совет по помехоустойчивости: Для уменьшения шумов на выходе обязательно подключайте конденсатор (фильтр) к выводу 6 (FILTER) относительно земли. Мы в своих схемах обычно ставим 10 нФ. Никогда не располагайте рядом с датчиком мощные трансформаторы или магниты — это вызовет дрейф "нуля" из-за наводок на датчик Холла.