Merancang Pengukuran Shunt Arus yang Tetap Akurat

Shunt arus mengubah arus rangkaian menjadi tegangan kecil yang dapat diukur oleh instrumen. Prinsipnya adalah hukum Ohm: arus yang melewati resistansi yang diketahui menghasilkan penurunan tegangan yang proporsional. Tantangan desainnya adalah memilih resistansi yang cukup besar untuk diukur, tetapi cukup kecil agar tidak menyebabkan kehilangan daya, pemanasan, dan gangguan berlebihan pada beban.

Mulai dari Persyaratan Pengukuran

Tentukan arus minimum, normal, dan maksimum sebelum memilih perangkat keras. Tentukan juga apakah arusnya DC, AC, atau bentuk gelombang tersakelar; apakah arah arus penting; bandwidth yang diperlukan; serta total kesalahan yang dapat diterima. Shunt yang hanya disesuaikan untuk arus nominal dapat mengalami panas berlebih saat penyalaan, pengereman, atau kondisi gangguan.

Tentukan bagaimana hasilnya akan digunakan. Pemantauan energi mungkin dapat menoleransi respons yang lebih lambat daripada pengendalian motor. Sistem proteksi memerlukan waktu deteksi dan rentang gangguan yang diketahui. Peralatan pengujian mungkin memerlukan pengukuran dua arah dan isolasi dari rangkaian yang diuji.

Pilih Resistansi Berdasarkan Sinyal dan Kehilangan Daya

Tegangan shunt mengikuti V = I × R. Resistansi yang lebih tinggi menghasilkan sinyal yang lebih besar dan meningkatkan pemisahan dari offset serta derau penguat. Namun, resistansi tersebut juga meningkatkan tegangan beban dan kehilangan daya. Disipasi mengikuti P = I² × R, sehingga pemanasan meningkat cepat seiring arus.

Hitung penurunan tegangan dan disipasi pada arus kontinu terburuk yang diizinkan. Kemudian evaluasi durasi beban berlebih dan pemulihan termal. Pastikan nilai kontinu, kemampuan pulsa, koefisien suhu, dan kondisi pemasangan resistor sesuai dengan lembar datanya. Jangan menganggap penandaan daya tinggi saja menentukan akurasi pengukuran.

Pilih Penempatan Sisi Tinggi atau Sisi Rendah

Shunt sisi rendah dipasang di antara beban dan jalur balik sistem. Penempatan ini dapat menyederhanakan persyaratan mode bersama penguat, tetapi tegangan tambahan mengubah referensi beban terhadap ground. Hal ini dapat mengganggu sinyal lain yang terhubung atau menyembunyikan beberapa jalur hubung singkat ke ground.

Shunt sisi tinggi dipasang di antara catu daya dan beban. Penempatan ini mempertahankan referensi ground beban dan dapat mendeteksi arus yang mengalir ke beban yang mengalami hubung singkat. Rangkaian pengukuran harus mampu menahan tegangan mode bersama bus. Panduan sisi tinggi dari Texas Instruments menekankan pemilihan penguat yang rentang input dan perlindungannya sesuai dengan bus tersebut.

Untuk pengukuran fase inverter, tegangan mode bersama yang tersakelar dan transien cepat membuat penempatan menjadi lebih menantang. Gunakan komponen dan tata letak yang dirancang untuk topologi tersebut. Jangan menyalin rangkaian meja uji bertegangan rendah ke penggerak berenergi tinggi.

Gunakan Sambungan Kelvin

Resistansi kabel dan tembaga dapat sebanding dengan shunt bernilai rendah. Pengukuran empat kabel, atau Kelvin, memisahkan jalur arus dari jalur pengukuran tegangan. Arahkan jalur sense langsung dari titik sense yang ditentukan ke input diferensial. Pertahankan keduanya sebagai pasangan yang berdekatan dan jauhkan dari node pensakelaran.

Jangan mengambil tegangan sense dari titik sembarang di sepanjang busbar atau jalur daya. Resistansi kontak, sambungan solder, dan distribusi arus kemudian dapat menjadi bagian dari pengukuran. Kesalahan yang dihasilkan dapat berubah akibat suhu, torsi, atau penuaan.

Susun Anggaran Kesalahan

Sertakan toleransi shunt, koefisien suhu, pemanasan sendiri, offset penguat, kesalahan penguatan, efek arus bias input, kesalahan referensi, resolusi ADC, dan derau. Pada arus rendah, offset sering kali dominan. Pada arus tinggi, pemanasan shunt dan kesalahan penguatan mungkin dominan. Batas bandwidth dapat mendistorsi pulsa singkat meskipun pembacaan stabil akurat.

Perkirakan kenaikan suhu shunt berdasarkan aliran udara dan kondisi selubung yang mewakili penggunaan sebenarnya. Resistansi berubah mengikuti suhu, dan sumber panas di dekatnya dapat menggeser baseline sebelum arus mengalir. Jika akurasi penting dalam rentang yang lebar, kalibrasi pada satu titik mungkin tidak cukup.

Lindungi Rangkaian Pengukuran

Shunt dan penguat dapat mengalami tegangan abnormal selama kesalahan pemasangan kabel, kejadian induktif, dan gangguan. Terapkan penyaringan dan perlindungan input yang direkomendasikan untuk penguat yang dipilih tanpa mengurangi respons yang diperlukan. Periksa peringkat tegangan resistor selain peringkat dayanya.

Isolasi mungkin diperlukan ketika rangkaian yang diukur berbahaya, mengambang jauh dari ground pengendali, atau berada di dalam konverter daya. Strategi isolasi harus mencakup sinyal, daya, jarak rambat, jarak bebas, dan energi gangguan. Input diferensial saja tidak menciptakan penghalang isolasi keselamatan.

Lakukan Komisioning dengan Pengujian Terkendali

Periksa polaritas, jalur Kelvin, jarak bebas, dan pemasangan shunt sebelum memberi energi. Jika memungkinkan, mulai dengan sumber yang dibatasi arusnya. Bandingkan kanal shunt dengan instrumen referensi yang sesuai pada arus nol, rendah, normal, dan tinggi. Uji kedua arah untuk sistem dua arah.

Biarkan rakitan mencapai kesetimbangan termal, lalu ulangi pengukuran. Kanal yang akurat saat dingin dapat mengalami pergeseran setelah beberapa menit. Catat suhu lingkungan, suhu shunt, peralatan referensi, dan ketidakpastian. Pastikan penurunan tegangan tidak membuat beban keluar dari rentang operasinya.

Diagnosis Pembacaan yang Buruk Secara Sistematis

Kesalahan tetap pada arus nol menunjukkan offset, arus bias, pergeseran ground, atau kalibrasi. Kesalahan yang proporsional terhadap arus menunjukkan kesalahan resistansi atau penguatan. Pergeseran seiring waktu menunjukkan pemanasan. Derau yang tersinkronisasi dengan titik pensakelaran PWM mengarah pada kopling mode bersama, tata letak, atau bandwidth. Lonjakan tiba-tiba setelah pemeliharaan dapat menunjukkan sambungan daya yang longgar atau koneksi sense yang rusak.

Ukur tegangan pada titik Kelvin yang sebenarnya dan bandingkan tegangan tersebut dengan hasil yang didigitalkan. Cara ini memisahkan masalah shunt dan jalur daya dari masalah penguat, ADC, dan penskalaan perangkat lunak. Hindari memperbaiki gangguan perangkat keras dengan koefisien perangkat lunak yang tidak jelas.

Dokumentasikan Pengukuran sebagai Rangkaian Instrumen

Catat nilai shunt, toleransi, karakteristik suhu, rentang arus, penguatan penguat, persamaan penskalaan, pengaturan filter, dan hasil kalibrasi. Tetapkan interval pemeriksaan untuk sambungan baut arus tinggi. Saat mengganti shunt, sesuaikan persyaratan listrik dan mekanisnya.

Perangkat keras pengukuran terkait dapat ditinjau dalam koleksi Transmiter Proses dan Sistem Kontrol DCS &. Untuk persamaan desain dan pertimbangan penempatan, lihat brief aplikasi penginderaan arus sisi tinggi dari Texas Instruments. Kanal shunt yang baik adalah rangkaian sinyal lengkap, bukan sekadar resistor yang ditambahkan ke konduktor.