Сила тока — одна из основных электрических величин, необходимых для описания состояния цепи и обнаружения различных явлений и событий в электросхеме. Схемы, используемые для измерения этого значения, можно найти почти в каждом современном электрическом устройстве. Хотя измерение тока может показаться простым, при выполнении этого процесса необходимо учитывать множество нюансов. Давайте обсудим наиболее популярные современные методы проведения этого измерения.
Знание величины тока в цепи необходимо для правильной диагностики состояния устройства, контроля его работы и обнаружения многих важных изменений. Наиболее часто используемым измерительным элементом в процессе измерения выступает резистор с небольшим и точно измеряемым значением сопротивления, называемый шунтом. Шунт подключается последовательно к пути, для которого требуется измерить ток, протекающий через него. Сопротивление шунта вызывает падение напряжения в цепи за счет протекания по нему тока — на его выводах образуется разность потенциалов, которую можно измерить параллельно включенным вольтметром. Зная величину напряжения на контактах шунта и его сопротивление, можно рассчитать ток, протекающий в цепи, с помощью закона Ома.
Значение сопротивления шунта должно быть достаточно малым, чтобы не нарушать работу схемы, но в то же время должно привести к достаточно высокому остаточному напряжению, чтобы его можно было точно измерить. По этой причине во многих измерительных схемах напряжение на шунте перед обработкой усиливается. Типичное сопротивление шунта находится в диапазоне от микро- до миллиом. Вот упрощенная технология его расчёта и изготовления.
Вот типовая схема измерителя силы тока — она часто состоит из аналоговой части (шунт с усилительной цепью) и цифровой (АЦП-преобразователь и схема управления). Аналоговая часть (AFE, Analog Front-End) содержит операционный или измерительный усилитель, что позволяет лучше подстроить величину сигнала под рабочий диапазон АЦП. Преобразователь АЦП, который может быть реализован как в виде отдельной интегральной микросхемы, так и в виде блока входящего в состав более крупной схемы, преобразует сигнал напряжения в цифровую форму, что позволяет выполнять его дальнейшую обработку.
Ключевым элементом схемы на тут выступает шунт — его физические свойства, такие как сопротивление, максимальная мощность или температурный коэффициент, сильно влияют на точность всего измерения. Поэтому выбор подходящей модели шунтирующего резистора важен для правильного выполнения измерения. Например, слишком высокое сопротивление шунта может привести к падению значения выходного напряжения ниже допустимого уровня, что приведет к снижению эффективности устройства. Кроме того, большая мощность, рассеиваемая на шунте, повысит его температуру, что дестабилизирует его рабочие параметры и ухудшит точность измерений. Именно по этой причине выгодно использовать шунтирующие резисторы с наименьшим возможным сопротивлением.
Выбор шунтирующего резистора
С учетом принципа действия он должен иметь очень низкое значение сопротивления, чтобы не нарушать работу проверяемой схемы. Кроме того, для стабильности и точности измерений, желательно иметь как можно более низкий коэффициент термостойкости. Этот параметр описывает значения сопротивления элемента в зависимости от его температуры – чем больше изменчивость, тем ниже точность измерения.
Другой важной характеристикой шунтирующего резистора является тепловой коэффициент ЭДС. На стыке соединений двух разных металлов создается электродвижущая сила порядка микровольт. Величина этой силы (и создаваемое ею напряжение) изменяется в зависимости от температуры. Эти изменения описываются тепловым коэффициентом (чаще всего выражают в мкВ/°С). Шунтирующие резисторы могут работать в широком диапазоне измерений — при измерении очень малых токов дополнительное напряжение, вызванное фактором ЭДС, может значительно исказить результаты.
На рынке можно найти шунтирующие резисторы с двумя или четырьмя контактами. Элементы с двумя выводами в принципе ничем не отличаются от обычных резисторов. В случае с четырьмя выводами два внешних используются для последовательного подключения к измеряемой цепи, а внутренняя пара предназначена для измерения напряжения (так называемое подключение по Кельвину).
Сопротивление шунтирующего резистора
Для того чтобы значение тока измерялось с удовлетворительной точностью следует отказаться от упрощенной модели состоящей из одного значения сопротивления, заменив ее более сложной, хотя и более реалистичной моделью, состоящей из трех последовательно соединенных сопротивлений. Это номинальное и двухкомпонентное сопротивление. В случае обычных резисторов сопротивления выводов имеют пренебрежимо малые значения, в случае шунтирующих, характеризующихся очень малыми значениями номинального сопротивления, эти дополнительные паразитные параметры вносят существенный вклад в работу, а игнорирование их влияния приводит к увеличению погрешности измерения.
Одним из способов минимизации этого вида погрешностей измерения является использование четырехточечного соединения с подведением к измерительному элементу отдельных пар цепей токовых и напряжения. Ток в цепи протекает по токоведущим путям. Пути напряжения, как можно более короткие и расположенные как можно ближе к выводам шунтирующего резистора, используются для считывания напряжения на этом элементе.
Четырехконтактный шунтирующий резистор
По цепям напряжения протекает очень низкий ток по сравнению с цепями тока — это связано с тем что цепи напряжения подключены к схеме измерения напряжения с высоким значением входного сопротивления. В результате общая погрешность измерения уменьшается.
Далее эквивалентная схема четырехточечного соединения. Такое решение позволяет не учитывать влияние сопротивления пути тока на результат измерения.
В случае шунтирующего резистора с двумя выводами полностью исключить влияние сопротивления выводов на результат измерения не удается. При этом температурный коэффициент сопротивления медных дорожек (около 3900 ppm/°C) значительно выше чем у резистивного элемента (обычно не более 50 ppm/°C).
То есть во многих случаях шунтирующий резистор с двумя выводами не способен обеспечить достаточную точность измерения, особенно в случае сильноточных цепей. В таких ситуациях хорошим выбором является шунтирующий резистор с 4 выводами.
Такой элемент имеет встроенное четырехточечное соединение – он оснащен парой клемм для измерения напряжения и парой для последовательного подключения к измеряемой цепи (токовые клеммы). Компоненты этого типа характеризуются также гораздо более высокой температурной стабильностью.
Обработка измерительного сигнала
Напряжение на шунтирующем резисторе необходимо обработать, чтобы можно было выполнить измерение. Типичный блок обработки измерительного сигнала состоит из схемы усилителя, преобразователя АЦП и логики. Из-за малой величины сопротивления на шунтирующем резисторе накладывается напряжение не превышающее сотен милливольт. Перед подачей этого сигнала на вход АЦП-преобразователя его необходимо соответствующим образом усилить до уровня, соответствующего рабочему диапазону преобразователя. Для этой цели чаще всего используют схемы на основе операционного или токоизмерительного усилителя. Последний тип элементов обеспечивает выходное напряжение пропорциональное величине тока, протекающего через его нагрузку.
Существует 2 основных способа подключения шунтирующего резистора к измеряемой цепи — со стороны низкого или высокого уровня. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки.
Измерение в конфигурации с низкой стороной. Измерение тока в конфигурации нижнего плеча заключается в размещении измерительного элемента между нагрузкой и землей. Этот тип решения довольно легко реализовать, поскольку напряжение на измерительном элементе измеряется по отношению к массе цепи. Усилитель работает с низкими значениями напряжения (порядка милливольт по отношению к массе схемы), что значительно упрощает подбор компонентов и снижает его стоимость.
Основным недостатком этого метода является то, что нагрузка больше не связана напрямую с массой. Минусовой вывод нагрузки имеет потенциал на несколько сотен милливольт выше земли — эта разница примерно равна напряжению на шунтирующем резисторе. Отсутствие прямого соединения с землей может стать проблемой если в другом месте цепи произойдет короткое замыкание, например, если проводящий компонент в устройстве коснется металлического корпуса. Измерительная схема может быть не в состоянии обнаружить это событие.
Глядя на схему стоит обратить внимание на способ подключения как усилителя, так и преобразователя АЦП к опорной точке. В случае измерения токов большой силы легко привести к ситуации, когда отдельные точки тракта или плоскости заземления могут отличаться по электрическому потенциалу. Поэтому убедитесь что и АЦП, и усилитель, используют одну и ту же (или как можно более близкую) опорную точку.
В случае работы с малыми сигналами довольно большую роль играет входное напряжение смещения усилителя. Чем меньше значение этого параметра, тем выше точность измерения.
Несмотря на эти недостатки, измерение тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором когда нагрузку не нужно подключать напрямую к земле и где нет необходимости обнаруживать короткие замыкания на массу. Но в случае устройств, которые должны соответствовать более строгим требованиям безопасности, измерение тока на стороне высокого напряжения является лучшим выбором.
Измерение верхней стороны. В конфигурации на стороне высокого напряжения измерительный элемент подключается между положительной клеммой питания и нагрузкой. Это решение имеет 2 основных преимущества по сравнению с конфигурацией на стороне низкого напряжения: простое обнаружение короткого замыкания на любую точку цепи с землей и отсутствие прямой связи измерения элемента с землей, что облегчает дальнейшую обработку сигнала, например, при цифровом преобразовании.
Основным недостатком тут будет необходимость работы с входным напряжением, близким к напряжению питания усилителя. По этой причине компоненты, используемые в конструкции такого типа, должны характеризоваться высоким значением коэффициента CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала).
Подведем итоги материала
Таким образом первым шагом в процессе измерения силы тока будет преобразование значения тока в электрическое напряжение, которое впоследствии гораздо легче измерить. Шунтирующие резисторы являются достаточно дешевыми и надежными элементами, выполняющими данную функцию. Величина сопротивления такого резистора должна быть как можно меньше, чтобы не мешать работе схемы и ограничивать потери энергии.
Другими важными параметрами являются температурный коэффициент сопротивления и тепловой коэффициент ЭДС, которые влияют на точность измерения. Важна для точности измерения также защита измерительных трактов от протекания по ним слишком большого тока — для этого часто применяют четырехточечное соединение или компоненты с 4 выводами.
Схема усилителя преобразует небольшое напряжение, подаваемое на шунтирующий резистор, в пропорционально большее значение, что гораздо удобнее для дальнейшей обработки. Существует два способа подключения измерительной цепи к тестируемой схеме – со стороны питания (конфигурация высокого уровня) или со стороны земли (конфигурация низкого уровня). Каждое из этих решений имеет определенные преимущества и недостатки, поэтому окончательный выбор зависит от потребностей самого устройства.
