การออกแบบการวัดกระแสด้วยชันต์ที่ยังคงความแม่นยำ

ตัวต้านทานชันต์กระแสจะแปลงกระแสในวงจรให้เป็นแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่เครื่องมือสามารถวัดได้ หลักการคือกฎของโอห์ม: กระแสที่ไหลผ่านความต้านทานค่าที่ทราบจะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมตามสัดส่วน ความท้าทายในการออกแบบคือการเลือกค่าความต้านทานให้มากพอสำหรับการวัด แต่เล็กพอที่จะหลีกเลี่ยงการสูญเสีย ความร้อน และการรบกวนโหลดมากเกินไป

เริ่มจากข้อกำหนดการวัด

กำหนดกระแสขั้นต่ำ กระแสปกติ และกระแสสูงสุดก่อนเลือกฮาร์ดแวร์ รวมถึงกำหนดว่ากระแสเป็น DC, AC หรือรูปคลื่นแบบสวิตช์ ทิศทางของกระแสมีความสำคัญหรือไม่ ต้องการแบนด์วิดท์เท่าใด และยอมรับค่าความคลาดเคลื่อนรวมได้เท่าใด ตัวต้านทานชันต์ที่เลือกตามกระแสพิกัดเพียงอย่างเดียวอาจร้อนเกินไปในช่วงเริ่มต้น การเบรก หรือสภาวะผิดปกติ

พิจารณาว่าจะนำผลการวัดไปใช้อย่างไร ระบบตรวจสอบพลังงานอาจยอมรับการตอบสนองที่ช้ากว่าระบบควบคุมมอเตอร์ ระบบป้องกันต้องมีเวลาตรวจจับและช่วงความผิดปกติที่ทราบแน่นอน ส่วนอุปกรณ์ทดสอบอาจต้องวัดได้สองทิศทางและแยกวงจรออกจากวงจรที่อยู่ระหว่างการทดสอบ

เลือกค่าความต้านทานจากสัญญาณและการสูญเสีย

แรงดันชันต์เป็นไปตามสมการ V = I × R ความต้านทานที่สูงขึ้นจะให้สัญญาณขนาดใหญ่ขึ้น และช่วยแยกสัญญาณออกจากออฟเซ็ตและสัญญาณรบกวนของแอมพลิฟายเออร์ได้ดีขึ้น แต่ก็เพิ่มแรงดันตกคร่อมและการสูญเสียกำลังด้วย การกระจายกำลังเป็นไปตามสมการ P = I² × R ดังนั้นความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสสูงขึ้น

คำนวณแรงดันตกคร่อมและการกระจายกำลังที่กระแสต่อเนื่องสูงสุดที่อนุญาต จากนั้นประเมินระยะเวลาการโอเวอร์โหลดและการคืนตัวทางความร้อน ตรวจสอบพิกัดการใช้งานต่อเนื่อง ความสามารถรับพัลส์ สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ และเงื่อนไขการติดตั้งของตัวต้านทานจากเอกสารข้อมูล อย่าคิดว่าการระบุวัตต์สูงเพียงอย่างเดียวจะรับประกันความแม่นยำในการวัด

เลือกตำแหน่งติดตั้งแบบด้านสูงหรือด้านต่ำ

ชันต์ด้านต่ำจะติดตั้งอยู่ระหว่างโหลดกับทางกลับของระบบ วิธีนี้อาจช่วยลดข้อกำหนดด้านแรงดันโหมดร่วมของแอมพลิฟายเออร์ แต่แรงดันที่เพิ่มเข้ามาจะเปลี่ยนจุดอ้างอิงของโหลดเมื่อเทียบกับกราวด์ ซึ่งอาจรบกวนสัญญาณอื่นที่เชื่อมต่ออยู่ หรือทำให้ตรวจไม่พบเส้นทางลัดวงจรลงกราวด์บางส่วน

ชันต์ด้านสูงจะติดตั้งอยู่ระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลด ช่วยรักษาจุดอ้างอิงกราวด์ของโหลดไว้ และสามารถตรวจจับกระแสที่ไหลเข้าสู่โหลดที่ลัดวงจรได้ วงจรวัดต้องทนต่อแรงดันโหมดร่วมของบัสได้ แนวทางด้านการวัดกระแสด้านสูงของ Texas Instruments เน้นการเลือกแอมพลิฟายเออร์ที่มีช่วงอินพุตและการป้องกันเหมาะสมกับบัสดังกล่าว

สำหรับการวัดกระแสแต่ละเฟสของอินเวอร์เตอร์ แรงดันโหมดร่วมที่เกิดจากการสวิตช์และทรานเชียนต์ที่รวดเร็วทำให้การเลือกตำแหน่งติดตั้งมีความซับซ้อนมากขึ้น ใช้ส่วนประกอบและรูปแบบการวางวงจรที่ออกแบบมาสำหรับโทโพโลยีนั้นโดยเฉพาะ อย่านำวงจรทดลองแรงดันต่ำไปใช้กับชุดขับกำลังสูงโดยตรง

ใช้การเชื่อมต่อแบบเคลวิน

ความต้านทานของสายและทองแดงอาจมีค่าใกล้เคียงกับชันต์ค่าต่ำ การตรวจจับแบบสี่สายหรือแบบเคลวินจะแยกเส้นทางกระแสออกจากเส้นทางตรวจจับแรงดัน เดินสายตรวจจับจากจุดตรวจจับที่ระบุโดยตรงไปยังอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล จัดสายให้เป็นคู่ใกล้กันและอยู่ห่างจากโหนดสวิตช์

อย่าวัดแรงดันชันต์จากจุดใดก็ได้ตามแนวบัสบาร์หรือแนวลายวงจรกำลัง เพราะความต้านทานหน้าสัมผัส จุดบัดกรี และการกระจายกระแสอาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของการวัด ส่งผลให้ค่าความคลาดเคลื่อนเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ แรงบิด หรืออายุการใช้งาน

จัดทำงบประมาณความคลาดเคลื่อน

รวมค่าความคลาดเคลื่อนของชันต์ สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ ความร้อนจากตัวเอง ออฟเซ็ตของแอมพลิฟายเออร์ ค่าคลาดเคลื่อนของเกน ผลกระทบจากกระแสไบแอสอินพุต ค่าคลาดเคลื่อนของแรงดันอ้างอิง ความละเอียดของ ADC และสัญญาณรบกวน ที่กระแสต่ำ ออฟเซ็ตมักเป็นปัจจัยหลัก ที่กระแสสูง ความร้อนของชันต์และค่าคลาดเคลื่อนของเกนอาจเป็นปัจจัยหลัก ข้อจำกัดด้านแบนด์วิดท์อาจทำให้พัลส์สั้นผิดรูป แม้ค่าที่วัดแบบคงที่จะถูกต้อง

ประเมินอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของชันต์ภายใต้สภาวะการไหลเวียนอากาศและเงื่อนไขภายในตู้ที่ใกล้เคียงการใช้งานจริง ความต้านทานจะเปลี่ยนตามอุณหภูมิ และแหล่งความร้อนที่อยู่ใกล้เคียงอาจทำให้ค่าฐานเลื่อนก่อนมีกระแสไหล หากต้องการความแม่นยำตลอดช่วงกว้าง การปรับเทียบที่จุดเดียวอาจไม่เพียงพอ

ป้องกันสายโซ่การวัด

ชันต์และแอมพลิฟายเออร์อาจพบแรงดันผิดปกติระหว่างการต่อสายผิด เหตุการณ์จากโหลดเหนี่ยวนำ และความขัดข้อง ใช้ตัวกรองและการป้องกันอินพุตตามคำแนะนำสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่เลือก โดยไม่ลดการตอบสนองที่จำเป็น ตรวจสอบพิกัดแรงดันของตัวต้านทานควบคู่กับพิกัดกำลังด้วย

อาจต้องใช้การแยกวงจรเมื่อวงจรที่วัดมีอันตราย ลอยอยู่ห่างจากกราวด์ของตัวควบคุมมาก หรืออยู่ภายในตัวแปลงกำลัง กลยุทธ์การแยกวงจรต้องครอบคลุมสัญญาณ แหล่งจ่าย ระยะคืบ ระยะห่างฉนวน และพลังงานจากความขัดข้อง อินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลเพียงอย่างเดียวไม่ได้สร้างฉนวนกั้นเพื่อความปลอดภัย

ทดสอบเริ่มต้นอย่างมีการควบคุม

ตรวจสอบขั้ว การเดินสายแบบเคลวิน ระยะห่าง และการติดตั้งชันต์ก่อนจ่ายไฟ หากเป็นไปได้ให้เริ่มด้วยแหล่งจ่ายที่จำกัดกระแส เปรียบเทียบช่องสัญญาณชันต์กับเครื่องมืออ้างอิงที่เหมาะสมที่กระแสศูนย์ ต่ำ ปกติ และสูง ทดสอบทั้งสองทิศทางสำหรับระบบที่วัดได้สองทิศทาง

ปล่อยให้ชุดอุปกรณ์เข้าสู่สมดุลทางความร้อน แล้วทำการวัดซ้ำ ช่องสัญญาณที่แม่นยำขณะเย็นอาจเบี่ยงเบนหลังทำงานไปหลาย分钟 บันทึกอุณหภูมิแวดล้อม อุณหภูมิชันต์ อุปกรณ์อ้างอิง และค่าความไม่แน่นอน ตรวจสอบว่าแรงดันตกคร่อมไม่ได้ทำให้โหลดอยู่นอกช่วงการทำงาน

วินิจฉัยค่าการอ่านผิดอย่างเป็นระบบ

ข้อผิดพลาดคงที่เมื่อกระแสเป็นศูนย์บ่งชี้ถึงออฟเซ็ต กระแสไบแอส การเลื่อนของกราวด์ หรือการปรับเทียบ ข้อผิดพลาดที่แปรผันตามกระแสบ่งชี้ถึงความคลาดเคลื่อนของความต้านทานหรือเกน การเลื่อนตามเวลาบ่งชี้ถึงความร้อน สัญญาณรบกวนที่เกิดพร้อมจุดสวิตช์ PWM ชี้ไปที่การคัปปลิงโหมดร่วม รูปแบบการวางวงจร หรือแบนด์วิดท์ การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันหลังการบำรุงรักษาอาจเกิดจากข้อต่อกำลังหลวม หรือจุดเชื่อมต่อสายตรวจจับเสียหาย

วัดแรงดันระหว่างจุดเคลวินจริง แล้วเปรียบเทียบแรงดันนั้นกับผลที่แปลงเป็นดิจิทัล วิธีนี้ช่วยแยกปัญหาของชันต์และเส้นทางกำลังออกจากปัญหาของแอมพลิฟายเออร์ ADC และการปรับสเกลในซอฟต์แวร์ หลีกเลี่ยงการแก้ไขความขัดข้องทางฮาร์ดแวร์ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ซอฟต์แวร์ที่ไม่มีคำอธิบาย

จัดทำเอกสารการวัดในฐานะลูปเครื่องมือวัด

บันทึกค่าชันต์ ค่าความคลาดเคลื่อน พฤติกรรมตามอุณหภูมิ ช่วงกระแส เกนของแอมพลิฟายเออร์ สมการการปรับสเกล การตั้งค่าตัวกรอง และผลการปรับเทียบ กำหนดช่วงเวลาตรวจสอบสำหรับจุดต่อแบบขันน็อตที่มีกระแสสูง เมื่อต้องเปลี่ยนชันต์ ให้เลือกชิ้นส่วนที่ตรงตามข้อกำหนดทั้งด้านไฟฟ้าและกลไก

สามารถดูฮาร์ดแวร์สำหรับการวัดที่เกี่ยวข้องได้ในคอลเลกชัน ทรานสมิตเตอร์กระบวนการ และ ระบบ DCS และระบบควบคุม สำหรับสมการการออกแบบและข้อแลกเปลี่ยนด้านตำแหน่งติดตั้ง โปรดดูเอกสารสรุปการประยุกต์ใช้การตรวจจับกระแสด้านสูงของ Texas Instruments ช่องสัญญาณชันต์ที่ดีคือสายโซ่สัญญาณที่สมบูรณ์ ไม่ใช่เพียงตัวต้านทานที่นำไปเพิ่มในตัวนำ