Проектирование измерений тока на шунте с сохранением точности

Шунт тока преобразует ток в цепи в небольшое напряжение, которое может измерить измерительный прибор. Принцип основан на законе Ома: ток, проходящий через известное сопротивление, создаёт пропорциональное падение напряжения. Задача проектирования заключается в выборе сопротивления, достаточно большого для измерения, но достаточно малого, чтобы избежать чрезмерных потерь, нагрева и влияния на нагрузку.

Начните с требований к измерению

Перед выбором оборудования определите минимальный, номинальный и максимальный ток. Также определите, является ли ток постоянным, переменным или импульсным; важна ли его полярность; какая требуется полоса пропускания; и какая суммарная погрешность допустима. Шунт, рассчитанный только на номинальный ток, может перегреться во время запуска, торможения или аварийных режимов.

Определите, как будет использоваться результат. Для мониторинга энергопотребления может быть приемлема более медленная реакция, чем для управления двигателем. Для защиты необходимо знать время обнаружения и диапазон аварийных токов. Испытательному оборудованию могут потребоваться двунаправленное измерение и гальваническая развязка от тестируемой цепи.

Выберите сопротивление с учётом сигнала и потерь

Напряжение на шунте определяется формулой V = I × R. Более высокое сопротивление даёт больший сигнал и улучшает его различимость на фоне смещения и шума усилителя. Однако оно также увеличивает падение напряжения и потери мощности. Рассеиваемая мощность определяется формулой P = I² × R, поэтому с ростом тока нагрев быстро увеличивается.

Рассчитайте падение напряжения и рассеиваемую мощность при максимально допустимом длительном токе. Затем оцените продолжительность перегрузки и тепловое восстановление. По техническому описанию подтвердите допустимую длительную мощность резистора, способность выдерживать импульсы, температурный коэффициент и условия монтажа. Не следует считать, что одна лишь высокая номинальная мощность определяет точность измерения.

Выберите размещение в верхнем или нижнем плече

Шунт в нижнем плече устанавливается между нагрузкой и общим проводом системы. Это может упростить требования к синфазному напряжению усилителя, но добавленное напряжение изменяет потенциал нагрузки относительно земли. Из-за этого могут возникать помехи в других подключённых сигналах или оставаться необнаруженными некоторые пути короткого замыкания на землю.

Шунт в верхнем плече устанавливается между источником питания и нагрузкой. Он сохраняет потенциал земли нагрузки и позволяет обнаруживать ток, поступающий в закороченную нагрузку. Измерительная схема должна выдерживать синфазное напряжение шины. В рекомендациях Texas Instruments по измерению тока в верхнем плече подчёркивается необходимость выбирать усилитель, диапазон входных напряжений и защитные характеристики которого соответствуют этой шине.

При измерении фаз инвертора переменное синфазное напряжение и быстрые переходные процессы усложняют выбор размещения. Используйте компоненты и топологии, предназначенные для данной схемы. Не переносите без изменений низковольтную лабораторную схему в привод с высокой энергией.

Используйте соединения Кельвина

Сопротивление проводов и меди может быть сопоставимо с сопротивлением маломощного шунта. Четырёхпроводное, или келвиновское, измерение разделяет силовой путь и путь измерения напряжения. Прокладывайте измерительные дорожки непосредственно от указанных точек съёма к дифференциальному входу. Держите их близко друг к другу и подальше от узлов коммутации.

Не снимайте измеряемое напряжение с произвольных точек вдоль токоведущей шины или силовой дорожки. В этом случае контактное сопротивление, паяные соединения и распределение тока могут стать частью измерения. Возникающая погрешность может изменяться под воздействием температуры, момента затяжки или старения.

Составьте бюджет погрешности

Учтите допуск шунта, температурный коэффициент, саморазогрев, смещение усилителя, погрешность коэффициента усиления, влияние входного тока смещения, погрешность опорного напряжения, разрешение АЦП и шум. При малом токе часто преобладает смещение. При большом токе основными могут стать нагрев шунта и погрешность усиления. Ограничение полосы пропускания может искажать короткие импульсы, даже если установившиеся показания точны.

Оцените повышение температуры шунта при характерных условиях обдува и в корпусе. Сопротивление изменяется с температурой, а расположенные рядом источники тепла могут сместить базовый уровень ещё до прохождения тока. Если важна точность в широком диапазоне, калибровки в одной точке может быть недостаточно.

Защитите измерительный тракт

При ошибках подключения, индуктивных процессах и авариях на шунте и усилителе могут возникать аномальные напряжения. Используйте входную фильтрацию и защиту, рекомендованные для выбранного усилителя, не снижая требуемого быстродействия. Проверяйте не только допустимую мощность резистора, но и допустимое напряжение.

Гальваническая развязка может потребоваться, если измеряемая цепь представляет опасность, имеет плавающий потенциал, сильно отличающийся от земли контроллера, или находится внутри преобразователя мощности. Стратегия развязки должна учитывать сигналы, питание, пути утечки, воздушные зазоры и энергию аварии. Один лишь дифференциальный вход не обеспечивает безопасной гальванической развязки.

Проводите ввод в эксплуатацию с контролируемыми испытаниями

Перед подачей питания проверьте полярность, прокладку келвиновских соединений, зазоры и крепление шунта. По возможности начните с источника питания с ограничением тока. Сравните канал шунта с подходящим эталонным прибором при нулевом, малом, номинальном и большом токе. В двунаправленных системах испытайте оба направления.

Дайте узлу достичь теплового равновесия и повторите измерения. Канал, точный в холодном состоянии, может уйти после нескольких минут работы. Запишите температуру окружающей среды, температуру шунта, эталонное оборудование и неопределённость измерений. Убедитесь, что падение напряжения не выводит нагрузку за пределы рабочего диапазона.

Систематически диагностируйте неправильные показания

Постоянная ошибка при нулевом токе указывает на смещение, ток смещения, сдвиг потенциала земли или калибровку. Погрешность, пропорциональная току, указывает на ошибку сопротивления или коэффициента усиления. Дрейф со временем свидетельствует о нагреве. Шум, синхронный с коммутацией ШИМ, указывает на синфазную связь, проблемы разводки или полосы пропускания. Внезапное изменение после технического обслуживания может означать ослабление силового соединения или повреждение измерительного подключения.

Измерьте напряжение непосредственно между фактическими келвиновскими точками и сравните его с оцифрованным результатом. Это позволяет отделить проблемы шунта и силового тракта от проблем усилителя, АЦП и программного масштабирования. Не пытайтесь исправить аппаратную неисправность необъяснимым программным коэффициентом.

Документируйте измерение как измерительный контур

Запишите значение шунта, допуск, температурные характеристики, диапазон тока, коэффициент усиления усилителя, уравнение масштабирования, параметры фильтра и результаты калибровки. Определите интервалы проверки болтовых соединений, рассчитанных на большой ток. При замене шунта обеспечьте соответствие как электрическим, так и механическим требованиям.

С сопутствующим измерительным оборудованием можно ознакомиться в коллекциях Промышленные преобразователи и DCS и системы управления. Уравнения для проектирования и компромиссные решения по размещению приведены в прикладном руководстве Texas Instruments по измерению тока в верхнем плече. Хороший канал измерения на шунте — это полноценная сигнальная цепь, а не просто резистор, добавленный в проводник.