Projetando medições de derivação de corrente que permanecem precisas

Um shunt de corrente converte a corrente do circuito em uma pequena tensão que um instrumento pode medir. O princípio é a lei de Ohm: a corrente que passa por uma resistência conhecida cria uma queda de tensão proporcional. O desafio do projeto é escolher uma resistência grande o suficiente para ser medida, mas pequena o bastante para evitar perdas excessivas, aquecimento e perturbações na carga.

Comece pelo requisito de medição

Defina as correntes mínima, normal e máxima antes de selecionar o hardware. Defina também se a corrente é CC, CA ou uma forma de onda chaveada; se a direção importa; a largura de banda necessária; e o erro total aceitável. Um shunt dimensionado apenas para a corrente nominal pode superaquecer durante a partida, a frenagem ou condições de falha.

Decida como o resultado será usado. O monitoramento de energia pode tolerar uma resposta mais lenta do que o controle de motores. A proteção precisa de um tempo de detecção e de uma faixa de falha conhecidos. Equipamentos de teste podem exigir medição bidirecional e isolamento do circuito sob teste.

Escolha a resistência com base no sinal e na perda

A tensão do shunt segue V = I × R. Uma resistência maior produz um sinal maior e melhora a separação em relação ao offset e ao ruído do amplificador. Ela também aumenta a tensão de carga e a perda de potência. A dissipação segue P = I² × R, portanto o aquecimento aumenta rapidamente com a corrente.

Calcule a queda de tensão e a dissipação na pior corrente contínua permitida. Em seguida, avalie a duração da sobrecarga e a recuperação térmica. Confirme no datasheet do resistor sua especificação contínua, capacidade de pulso, coeficiente de temperatura e condições de montagem. Não presuma que uma marcação de alta potência, por si só, defina a precisão da medição.

Selecione a instalação no lado alto ou no lado baixo

Um shunt no lado baixo fica entre a carga e o retorno do sistema. Ele pode simplificar os requisitos de modo comum do amplificador, mas a tensão adicionada altera a referência da carga em relação ao terra. Isso pode perturbar outros sinais conectados ou ocultar alguns caminhos de curto-circuito para o terra.

Um shunt no lado alto fica entre a alimentação e a carga. Ele preserva a referência de terra da carga e pode detectar corrente fluindo para uma carga em curto. O circuito de medição deve suportar a tensão de modo comum do barramento. As orientações da Texas Instruments para o lado alto enfatizam a seleção de um amplificador cuja faixa de entrada e proteção sejam adequadas a esse barramento.

Para medições de fase em inversores, a tensão de modo comum chaveada e os transientes rápidos tornam a instalação mais exigente. Use componentes e layouts destinados à topologia. Não copie um circuito de bancada de baixa tensão para um acionamento de alta energia.

Use conexões Kelvin

A resistência dos cabos e do cobre pode ser comparável à de um shunt de baixo valor. A medição a quatro fios, ou Kelvin, separa o caminho da corrente do caminho de medição da tensão. Passe as trilhas de medição diretamente dos pontos de medição especificados até a entrada diferencial. Mantenha-as próximas, como um par, e afastadas dos nós de chaveamento.

Não obtenha a tensão de medição de pontos arbitrários ao longo de um barramento ou trilha de potência. Assim, a resistência de contato, as juntas de solda e a distribuição de corrente podem se tornar parte da medição. O erro resultante pode variar com a temperatura, o torque ou o envelhecimento.

Monte o orçamento de erros

Inclua a tolerância do shunt, o coeficiente de temperatura, o autoaquecimento, o offset do amplificador, o erro de ganho, os efeitos da corrente de polarização de entrada, o erro da referência, a resolução do ADC e o ruído. Em correntes baixas, o offset geralmente predomina. Em correntes altas, o aquecimento do shunt e o erro de ganho podem predominar. Limitações de largura de banda podem distorcer pulsos curtos, mesmo quando as leituras estáveis são precisas.

Estime o aumento de temperatura do shunt sob condições representativas de fluxo de ar e gabinete. A resistência muda com a temperatura, e fontes de calor próximas podem deslocar a linha de base antes de a corrente fluir. Quando a precisão é importante em uma faixa ampla, a calibração em um único ponto pode não ser suficiente.

Proteja a cadeia de medição

O shunt e o amplificador podem ser expostos a tensões anormais durante erros de ligação, eventos indutivos e falhas. Aplique a filtragem e a proteção de entrada recomendadas para o amplificador selecionado, sem reduzir a resposta necessária. Verifique as especificações de tensão dos resistores, além das especificações de potência.

O isolamento pode ser necessário quando o circuito medido é perigoso, flutua muito em relação ao terra do controlador ou está dentro de um conversor de potência. A estratégia de isolamento deve abranger sinal, alimentação, distância de escoamento, distância de isolação e energia de falha. Uma entrada diferencial, por si só, não cria uma barreira de isolamento de segurança.

Faça o comissionamento com testes controlados

Inspecione a polaridade, o roteamento Kelvin, as distâncias de segurança e a montagem do shunt antes da energização. Sempre que possível, comece com uma fonte com limitação de corrente. Compare o canal do shunt com um instrumento de referência adequado em corrente zero, baixa, normal e alta. Teste ambas as direções em sistemas bidirecionais.

Deixe o conjunto atingir o equilíbrio térmico e repita as medições. Um canal preciso quando frio pode apresentar deriva após vários minutos. Registre a temperatura ambiente, a temperatura do shunt, os equipamentos de referência e a incerteza. Confirme que a queda de tensão não tira a carga de sua faixa de operação.

Diagnostique leituras incorretas sistematicamente

Um erro fixo em corrente zero sugere offset, corrente de polarização, deslocamento do terra ou calibração. Um erro proporcional à corrente sugere erro de resistência ou de ganho. Uma deriva ao longo do tempo sugere aquecimento. Ruído sincronizado com o chaveamento PWM aponta para acoplamento de modo comum, layout ou largura de banda. Um salto repentino após uma manutenção pode indicar uma conexão de potência frouxa ou uma conexão de medição danificada.

Meça entre os pontos Kelvin reais e compare essa tensão com o resultado digitalizado. Isso separa problemas do shunt e do caminho de potência de problemas do amplificador, do ADC e do dimensionamento do software. Evite corrigir uma falha de hardware com um coeficiente de software sem explicação.

Documente a medição como um circuito de instrumentação

Registre o valor do shunt, a tolerância, o comportamento térmico, a faixa de corrente, o ganho do amplificador, a equação de conversão, as configurações do filtro e os resultados da calibração. Defina intervalos de inspeção para conexões aparafusadas de alta corrente. Ao substituir um shunt, corresponda aos requisitos elétricos e mecânicos.

Hardware de medição relacionado pode ser consultado nas coleções Transmissores de Processo e Sistemas de Controle DCS. Para equações de projeto e compromissos de instalação, consulte o guia de aplicação da Texas Instruments sobre medição de corrente no lado alto. Um bom canal de shunt é uma cadeia de sinal completa, não simplesmente um resistor adicionado a um condutor.