Resistori shunt e applicazioni nel campo della strumentazione

Misurare la corrente può essere un’operazione pericolosa nei circuiti in corrente continua, perché richiede di inserire il misuratore nel flusso elettrico, esponendo il circuito a correnti potenzialmente pericolose. La resistenza shunt viene utilizzata per prevenire questo rischio e misurare correnti elevate senza richiedere conduttori del misuratore particolarmente robusti.

 

Che cos’è una resistenza shunt?

Uno shunt è un elemento resistivo (resistenza) in un circuito in corrente continua che consente alla corrente di circolare da un punto all’altro creando un percorso a bassa resistenza. L’utilità pratica degli shunt negli impianti delle centrali elettriche consiste nel misurare correnti elevate nel circuito in corrente continua quando è impossibile collegare direttamente alla linea in corrente continua dispositivi di misura come strumenti analogici o digitali da pannello.

Per l’ingegnere della strumentazione che opera nel settore dell’acquisizione dei dati di impianto, la domanda è come misurare una corrente elevata in un circuito CA/CC. Nel caso della corrente alternata, per misurare l’amperaggio nei grandi sistemi elettrici si utilizza un trasformatore di corrente (CT). Gli shunt, invece, vengono utilizzati per misurare correnti elevate in un circuito in corrente continua, ad esempio la corrente di uscita di un raddrizzatore, la corrente di carica o scarica di una batteria, ecc.

 

Figura 1. Amperometro analogico da pannello convenzionale, con una resistenza shunt nominale di 100 ampere a 0,1 volt.

 

Come mostrato nella Figura 2 seguente, lo shunt è costituito da due conduttori in ottone e rame, collegati da una striscia di manganina a bassa resistività. Lo shunt presenta generalmente due terminali grandi e due terminali piccoli. Il circuito viene collegato ai terminali grandi e la corrente attraversa le strisce calibrate tra di essi. I terminali piccoli, posti ai capi della striscia dello shunt, creano la resistenza nota.

 

Figura 2. Una tipica resistenza shunt è collegata in serie al carico, consentendo di visualizzare la corrente misurando la tensione da ‘A’ a ‘B’ e dividendo per un valore di resistenza noto.

 

Quando lo shunt viene prodotto in fabbrica, viene calibrato e progettato in modo che la corrente effettiva lo attraversi. È possibile determinare quanta corrente lo ha attraversato misurando la tensione tra i punti A e B e applicando la legge di Ohm alla resistenza, come illustrato nella Figura 3.

 

Figura 3. La legge di Ohm per determinare la corrente.

 

Il valore nominale di uno shunt è generalmente inciso sul lato dello shunt o visualizzato sul quadrante del misuratore, ad esempio 100 A e 75 mV. Il valore 100 ampere indica la quantità massima di corrente che lo shunt può sopportare. Il secondo valore è 75 mV. Questa è la tensione che verrà rilevata ai capi delle due piccole viti o dei due punti quando una corrente di 100 A attraversa il misuratore.

È importante assicurarsi che, quando si utilizza un misuratore da pannello analogico o digitale dedicato, il misuratore sia compatibile con 100 A/75 mV, perché i misuratori di visualizzazione vengono calibrati in base ai valori di uno shunt, affinché un misuratore da pannello, analogico o digitale, possa mostrare letture accurate della corrente.

Sul mercato sono disponibili shunt di varie forme e dimensioni e la bassa resistenza (rispetto al carico) non influisce sul flusso di corrente nel circuito. La caduta di tensione ai capi della resistenza shunt collegata in serie al carico è praticamente trascurabile rispetto alla tensione del carico. Qualsiasi conduttore, come una resistenza comune o un tratto di filo di rame, può essere trasformato in uno shunt improvvisato. Il multimetro tipico è utile per misurare resistenze inferiori a 1 ohm, ma non è adatto a misurare la resistenza estremamente bassa dello shunt; per questo è molto utile la conversione della tensione in corrente effettuata dallo shunt.

La resistenza molto bassa degli shunt produce una corrente elevata, limitata soltanto dal dispositivo di carico. Se li si attraversa continuamente con una grande quantità di corrente, producono calore; è quindi essenziale utilizzare uno shunt correttamente dimensionato.

 

Collegamento della resistenza shunt all’amperometro

I misuratori e gli strumenti sono dispositivi fondamentali per misurare i valori istantanei e trasmettere al centro di controllo le principali grandezze elettriche di qualsiasi impianto di produzione di energia e sistema di rete. Le centrali elettriche convenzionali dispongono di numerosi misuratori da pannello analogici e digitali che visualizzano i valori di corrente alternata/continua, tensione e potenza.

Il principio di funzionamento è lo stesso sia per gli amperometri sia per i voltmetri. La risposta alle diverse grandezze si ottiene utilizzando shunt per gli amperometri e resistenze in serie per i voltmetri.

La Figura 3 mostra due meccanismi di funzionamento identici, collegati uno come amperometro e l’altro come voltmetro. Entrambi i meccanismi sono progettati in modo che una tensione di 50 millivolt ai capi della bobina produca una deflessione a fondo scala. In questo schema, l’amperometro è predisposto per misurare correnti fino a 100 ampere, motivo per cui la sua scala è contrassegnata da 0 a 100 ampere. In altre parole, lo shunt è progettato in modo che, quando lo attraversano 100 ampere, produca una caduta di 50 millivolt ai capi dei terminali; tale shunt è noto come shunt da 100 ampere e 50 millivolt.

 

Figura 4. Il principio di funzionamento è lo stesso sia per gli amperometri sia per i voltmetri.

 

Per correnti inferiori a 50 o 60 ampere, lo shunt dell’amperometro può essere installato all’interno della custodia dello strumento, ma per correnti più elevate le dimensioni dello shunt e il calore generato rendono necessario installarlo esternamente. Analogamente, i voltmetri da quadro fino a 300 volt hanno generalmente la resistenza montata nella custodia. A tensioni superiori, viene montata esternamente una resistenza aggiuntiva, collegata in serie alla resistenza interna e al meccanismo di funzionamento del voltmetro.

È importante ricordare che nella progettazione degli strumenti deve essere presa in considerazione la resistenza dei collegamenti tra gli shunt, le resistenze e il meccanismo di funzionamento.

 

Conversione della corrente in tensione per ADC e PLC

Gli amperometri e i voltmetri in corrente continua trovano il loro principale campo di applicazione nella misurazione della corrente e della tensione alle quali vengono caricate e scaricate le batterie e nei circuiti di eccitazione di motori e generatori. Gli shunt possono essere utilizzati con misuratori da pannello analogici, misuratori da pannello digitali e PLC.

 

Figura 5. Schema di collegamento della resistenza shunt con carico e misuratore da pannello.

 

Osservando attentamente la scheda tecnica del dispositivo nella Figura 5 seguente, l’uscita dello shunt è di 0-100 mV. Questo piccolo segnale di tensione viene amplificato utilizzando un trasduttore di tensione CC con intervallo di ingresso 0-100 mV. Il trasduttore di tensione CC può emettere un segnale di corrente da 0-10 mA, che può essere ulteriormente utilizzato nella scheda RTU/PLC per la conversione analogico-digitale (ADC), così da essere elaborato per il monitoraggio e il controllo remoto.

 

Figura 6. Un trasduttore di tensione con intervallo di ingresso 0-100 mV, che riceve le cadute di tensione in mV ai capi della resistenza shunt e produce un’uscita da 0-10 mA per un sistema di controllo.

 

Vantaggi delle resistenze shunt

• Gli shunt vengono utilizzati per applicazioni ad alta corrente, come il monitoraggio della corrente di carico di motori elettrici.
• È molto facile misurare la caduta di tensione e calcolare la corrente utilizzando la legge di Ohm, poiché la caduta di tensione è proporzionale alla corrente che attraversa lo shunt.
• Sono generalmente piccoli, leggeri, economici e disponibili in varie forme, dimensioni e valori nominali.
• Vengono utilizzati per monitorare la carica e la scarica dei banchi di batterie.
• I fili di grande diametro sono molto costosi. Il terminale dello shunt consente di monitorare la corrente utilizzando un filo di sezione ridotta.
• Non generano molto calore quando sono attraversati da una corrente di 50 A o 100 A.
• Forniscono isolamento e protezione contro i cortocircuiti e i sovraccarichi.
• Offrono una buona precisione nella misurazione della corrente grazie al valore di resistenza noto.
• Vengono comunemente utilizzati nei misuratori da pannello, nei contatori di energia, ecc.

 

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