Diseño de mediciones de derivación de corriente que mantienen la precisión

Un shunt de corriente convierte la corriente del circuito en una pequeña tensión que un instrumento puede medir. El principio es la ley de Ohm: la corriente que atraviesa una resistencia conocida crea una caída de tensión proporcional. El desafío de diseño consiste en elegir una resistencia lo bastante grande para medirla, pero lo bastante pequeña para evitar pérdidas, calentamiento y perturbaciones excesivas en la carga.

Comience con el requisito de medición

Defina la corriente mínima, normal y máxima antes de seleccionar el hardware. Defina también si la corriente es continua, alterna o una forma de onda conmutada; si la dirección es importante; el ancho de banda requerido; y el error total aceptable. Un shunt dimensionado solo para la corriente nominal puede sobrecalentarse durante el arranque, el frenado o las condiciones de fallo.

Decida cómo se utilizará el resultado. La monitorización de energía puede tolerar una respuesta más lenta que el control de motores. La protección necesita un tiempo de detección y un rango de fallo conocidos. Los equipos de prueba pueden requerir medición bidireccional y aislamiento del circuito sometido a prueba.

Elija la resistencia según la señal y las pérdidas

La tensión del shunt sigue la fórmula V = I × R. Una resistencia mayor produce una señal más grande y mejora la separación respecto al offset y el ruido del amplificador. También aumenta la tensión de carga y las pérdidas de potencia. La disipación sigue la fórmula P = I² × R, por lo que el calentamiento aumenta rápidamente con la corriente.

Calcule la caída de tensión y la disipación a la peor corriente continua permitida. Después, evalúe la duración de la sobrecarga y la recuperación térmica. Confirme en la hoja de datos la capacidad continua, la capacidad para pulsos, el coeficiente de temperatura y las condiciones de montaje de la resistencia. No suponga que una marca de alta potencia, por sí sola, define la precisión de la medición.

Seleccione la ubicación en el lado alto o bajo

Un shunt en el lado bajo se sitúa entre la carga y el retorno del sistema. Puede simplificar los requisitos de modo común del amplificador, pero la tensión añadida cambia la referencia de la carga respecto a tierra. Esto puede perturbar otras señales conectadas u ocultar algunas rutas de cortocircuito a tierra.

Un shunt en el lado alto se sitúa entre la alimentación y la carga. Conserva la referencia de tierra de la carga y puede detectar la corriente que fluye hacia una carga en cortocircuito. El circuito de medición debe tolerar la tensión de modo común del bus. Las recomendaciones de Texas Instruments para el lado alto hacen hincapié en seleccionar un amplificador cuyo rango de entrada y protección sean adecuados para ese bus.

En las mediciones de fase de inversores, la tensión de modo común conmutada y los transitorios rápidos hacen que la ubicación sea más exigente. Utilice componentes y diseños de placa destinados a la topología. No copie un circuito de banco de baja tensión en un accionamiento de alta energía.

Utilice conexiones Kelvin

La resistencia de los conductores y del cobre puede ser comparable a la de un shunt de bajo valor. La medición de cuatro hilos, o Kelvin, separa la ruta de corriente de la ruta de detección de tensión. Dirija las pistas de detección directamente desde los puntos de medición especificados hasta la entrada diferencial. Manténgalas juntas y alejadas de los nodos de conmutación.

No tome la tensión de detección desde puntos arbitrarios a lo largo de una barra colectora o una pista de potencia. De hacerlo, la resistencia de contacto, las uniones soldadas y la distribución de corriente pasarán a formar parte de la medición. El error resultante puede cambiar con la temperatura, el par de apriete o el envejecimiento.

Elabore el presupuesto de errores

Incluya la tolerancia del shunt, el coeficiente de temperatura, el autocalentamiento, el offset del amplificador, el error de ganancia, los efectos de la corriente de polarización de entrada, el error de referencia, la resolución del ADC y el ruido. A baja corriente, el offset suele dominar. A alta corriente, el calentamiento del shunt y el error de ganancia pueden dominar. Los límites de ancho de banda pueden distorsionar pulsos cortos aunque las lecturas estacionarias sean precisas.

Estime el aumento de temperatura del shunt con condiciones representativas de flujo de aire y de la envolvente. La resistencia cambia con la temperatura, y las fuentes de calor cercanas pueden desplazar la línea base antes de que circule corriente. Cuando la precisión sea importante en un rango amplio, una calibración en un solo punto puede no ser suficiente.

Proteja la cadena de medición

El shunt y el amplificador pueden quedar expuestos a tensiones anómalas durante errores de cableado, eventos inductivos y fallos. Aplique el filtrado y la protección de entrada recomendados para el amplificador seleccionado sin reducir la respuesta necesaria. Compruebe los valores nominales de tensión de las resistencias, además de sus valores nominales de potencia.

Puede ser necesario el aislamiento cuando el circuito medido sea peligroso, flote muy alejado de la tierra del controlador o se encuentre dentro de un convertidor de potencia. La estrategia de aislamiento debe abarcar la señal, la alimentación, las distancias de fuga y de aislamiento, y la energía de fallo. Una entrada diferencial por sí sola no crea una barrera de aislamiento de seguridad.

Ponga en marcha el sistema con pruebas controladas

Inspeccione la polaridad, el encaminamiento Kelvin, las distancias de seguridad y el montaje del shunt antes de energizar el sistema. Cuando sea posible, comience con una fuente limitada en corriente. Compare el canal del shunt con un instrumento de referencia adecuado a corriente cero, baja, normal y alta. Pruebe ambas direcciones en los sistemas bidireccionales.

Deje que el conjunto alcance el equilibrio térmico y repita las mediciones. Un canal preciso en frío puede desviarse después de varios minutos. Registre la temperatura ambiente, la temperatura del shunt, los equipos de referencia y la incertidumbre. Confirme que la caída de tensión no desplace la carga fuera de su rango de funcionamiento.

Diagnostique sistemáticamente las lecturas incorrectas

Un error fijo con corriente cero sugiere offset, corriente de polarización, desplazamiento de tierra o un problema de calibración. Un error proporcional a la corriente sugiere un error de resistencia o de ganancia. Una deriva con el tiempo sugiere calentamiento. El ruido sincronizado con los puntos de conmutación PWM apunta al acoplamiento de modo común, al diseño de la placa o al ancho de banda. Un cambio repentino después del mantenimiento puede indicar una unión de potencia floja o una conexión de detección dañada.

Mida entre los puntos Kelvin reales y compare esa tensión con el resultado digitalizado. Esto separa los problemas del shunt y de la ruta de potencia de los problemas del amplificador, el ADC y el escalado del software. Evite corregir un fallo de hardware con un coeficiente de software sin justificar.

Documente la medición como un lazo de instrumentación

Registre el valor del shunt, la tolerancia, el comportamiento térmico, el rango de corriente, la ganancia del amplificador, la ecuación de escalado, los ajustes del filtro y los resultados de calibración. Defina intervalos de inspección para las conexiones atornilladas de alta corriente. Al sustituir un shunt, haga coincidir tanto los requisitos eléctricos como los mecánicos.

Puede consultar hardware de medición relacionado en las colecciones Transmisores de proceso y Sistemas DCS y de control. Para consultar ecuaciones de diseño y compromisos de ubicación, vea el documento de aplicación de Texas Instruments sobre la detección de corriente en el lado alto. Un buen canal de shunt es una cadena de señal completa, no simplemente una resistencia añadida a un conductor.