Измерение резистивного тока:измерение на стороне низкого и высокого давления

В чем разница между резистивным измерением тока на верхней и нижней сторонах? В этой статье объясняются основы, а также объясняется, когда каждый из них является более подходящим вариантом дизайна.

Многие приложения, такие как управление питанием, зарядка аккумуляторов, управление двигателем и защита от перегрузки по току, могут выиграть от резистивного измерения тока. Есть два варианта размещения резистора для измерения тока последовательно с нагрузкой:измерение тока на стороне низкого и высокого уровня.

В этой статье мы рассмотрим эти две схемы и обсудим их основные преимущества и недостатки.

Измерение резистивного тока

Измерение резистивного тока широко используется на сборках печатных плат при работе с уровнями тока от низкого до среднего. При использовании этого метода известный резистор R _шунт подключается последовательно с нагрузкой, и напряжение, возникающее на резисторе, измеряется для определения тока нагрузки. Это показано на Рисунке 1.

Рисунок 1

Токовые резисторы, также называемые шунтирующими резисторами или просто шунтами, обычно имеют значения в диапазоне миллиом. Для приложений с очень большим током номинал шунтирующего резистора может составлять даже доли миллиом, чтобы уменьшить мощность, рассеиваемую резистором.

Обратите внимание, что даже при малых значениях резистора рассеиваемая мощность шунта может быть проблемой, особенно для сильноточных приложений. Например, при R =1 мОм и I =100 А мощность, рассеиваемая шунтирующим резистором, составляет:

\ [P =R \ times I ^ 2 =0,001 \ times 100 ^ 2 =10 Вт \]

Небольшое значение резистора также приводит к небольшому падению напряжения на резисторе. Вот почему необходим усилитель для преобразования небольшого напряжения, возникающего на шунтирующем резисторе, в достаточно большое напряжение, подходящее для восходящих цепей.

Мы обсудим, что при измерении тока на стороне высокого напряжения к усилителю могут предъявляться строгие требования с точки зрения спецификации коэффициента отклонения синфазного сигнала (CMRR).

Обнаружение нижней и верхней стороны

Есть два варианта включения шунтирующего резистора последовательно с нагрузкой. Эти две схемы называются методами измерения тока со стороны низкого и высокого уровня и показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. (а) Измерение тока на стороне низкого давления и (b) методы измерения высокого тока.

В конфигурации нижнего уровня резистор считывания тока (R _шунт ) помещается между клеммой заземления источника питания и клеммой заземления нагрузки. При использовании метода высокого напряжения шунтирующий резистор помещается между положительной клеммой источника питания и входом питания нагрузки.

Давайте посмотрим, каковы преимущества и недостатки каждого метода.

Измерение высокой и низкой стороны:значение синфазного сигнала

Предположим, что R _шунт =1 мОм и I =100 А. Даже при таком большом токе падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет всего 100 мВ. Следовательно, синфазное значение напряжения на шунтирующем резисторе нижнего плеча лишь немного выше потенциала земли. А для конфигурации со стороны высокого напряжения синфазный уровень напряжения на шунтирующем резисторе очень близок к напряжению питания нагрузки.

Поскольку усилитель, используемый для измерения тока на стороне низкого напряжения, работает с малым синфазным напряжением, ему не требуется высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). Коэффициент подавления синфазного сигнала определяет, какое ослабление усилитель демонстрирует для сигнала, общего для обоих входов усилителя. Поскольку синфазное значение почти равно нулю для конфигурации измерения тока на стороне низкого напряжения, требование CMRR усилителя значительно ослаблено, и, следовательно, можно использовать простые конфигурации усилителя.

На рисунке 3 показан базовый усилитель, который можно использовать для измерения тока на стороне низкого напряжения.

Рисунок 3

В этом примере усилитель состоит из операционного усилителя и двух резисторов регулировки усиления R1 и R2. Обратите внимание, что это фактически неинвертирующая конфигурация операционного усилителя. Более знакомая схема этого усилителя показана ниже:

Рисунок 4

Выход представляет собой усиленную версию V _шунта можно найти по следующему уравнению:

\ [V_ {out} =\ left (1 + \ frac {R_2} {R_1} \ right) V_ {in} =\ left (1 + \ frac {R_2} » {R_1} \ справа) V_ {шунт} \]

С другой стороны, усилитель, используемый для измерения тока на стороне высокого напряжения, должен иметь дело с большим синфазным напряжением. Усилитель должен иметь высокий CMRR, чтобы на выходе не появлялся большой синфазный входной сигнал. Вот почему для измерения тока на стороне высокого напряжения необходимы специализированные конфигурации усилителя. Эти усилители должны иметь высокий CMRR и поддерживать входной синфазный диапазон вплоть до напряжения питания нагрузки.

Стоит упомянуть, что существует множество приложений для измерения тока на стороне высокого напряжения, таких как приложения для управления трехфазным двигателем, где напряжение питания нагрузки намного больше, чем напряжение питания, используемое для усилителя. Следовательно, в конфигурации с датчиком высокого напряжения входной синфазный сигнал усилителя обычно должен быть намного больше, чем его напряжение питания - требование, которое делает конструкцию усилителя очень сложной.

Метод нижней стороны может вызвать проблемы с контуром заземления

Хотя метод измерения на стороне низкого давления упрощает конструкцию усилителя, он имеет несколько недостатков. При измерении тока на стороне низкого напряжения в цепи заземления устанавливается дополнительный резистор. Следовательно, заземление контролируемой цепи имеет потенциал немного выше, чем заземление системы. Это может стать проблемой для некоторых аналоговых схем.

Поскольку потенциал заземления контролируемой цепи отличается от потенциала других нагрузок в системе, могут возникнуть проблемы с контуром заземления, приводящие к появлению слышимого шума, такого как гудение, или даже к помехам в работе расположенного рядом оборудования. Из-за этого ограничения измерение тока на стороне низкого напряжения обычно используется в приложениях, где мы имеем дело с одной изолированной нагрузкой или нагрузка не чувствительна к шуму заземления. Чувствительное к стоимости управление двигателем в таких приложениях, как беспилотные летательные аппараты, дрели и сабельные пилы, обычно использует измерение нижней стороны, чтобы иметь возможность конкурировать на рынке потребительских товаров.

Метод нижней стороны не может обнаружить обнаружение неисправности

Существуют различные неисправные состояния, которые не может обнаружить датчик тока на стороне низкого напряжения. На рисунке 5 показан пример короткого замыкания между источником питания контролируемой цепи и землей системы.

Рисунок 5

Ток короткого замыкания, I _short , течет от шины напрямую к заземлению системы и не проходит через шунтирующий резистор. Следовательно, схема текущего контроля не обнаружит это состояние неисправности. Датчик тока на стороне низкого напряжения также не может обнаружить короткое замыкание между землей контролируемой цепи и землей системы (рис. 6).

Рисунок 6

Однако датчик тока на стороне высокого напряжения может обнаруживать неисправные состояния, которые возникают после шунтирующего резистора. Это показано на Рисунке 7.

Рисунок 7

В этом случае ток короткого замыкания проходит через шунтирующий резистор. Следовательно, схема измерения тока может обнаружить короткое замыкание и инициировать соответствующее корректирующее действие.

Измерение тока на стороне высокого напряжения может упростить электромонтаж

Еще один недостаток измерения тока на стороне низкого напряжения заключается в том, что для питания контролируемой цепи необходимы два провода, даже если имеется системное заземление. Например, в автомобильной промышленности шасси автомобиля служит точкой соприкосновения. Поскольку шасси находится на уровне земли системы, нам нужен только один провод для питания нагрузки. Однако, если ток через нагрузку контролируется методом измерения на стороне низкого напряжения, заземление системы не может использоваться, и для нагрузки требуются два провода. Поскольку метод измерения на стороне высокого напряжения использует системное заземление для контролируемой нагрузки, он не страдает от этого ограничения. Вот почему датчик высокого давления лучше подходит для автомобильных приложений.

В следующей статье мы рассмотрим схему на рисунке 3 более подробно. Мы увидим, что эта структура также чувствительна к сопротивлению следов на печатной плате, и более точное измерение может быть выполнено с помощью разностного усилителя.

Заключение

Основное преимущество измерения на стороне низкого напряжения заключается в том, что можно использовать относительно простые конфигурации для усиления напряжения на шунтирующем резисторе. Однако измерение тока на стороне низкого напряжения чувствительно к нарушениям заземления и не может обнаруживать неисправные состояния. Измерение тока на стороне низкого напряжения обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях управления двигателями, которым необходимо иметь возможность конкурировать на потребительском рынке.

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.