Токочувствительные компоненты и методы измерения тока


PDF версия

Элементы, которые применяются для измерения тока, и использование соответствующих методик должны как можно меньше влиять на работу схемы и обеспечивать высокую точность.

Измерение тока преследует одну из двух целей: во-первых, узнать, какой ток потребляет схема. Если он окажется слишком высоким, следует принять решение, какие из блоков можно отключить для уменьшения расхода энергии или ввода схемы в нормальный режим работы. Второй целью является определение максимально допустимого тока, при котором схема перестает функционировать корректно. Если ток превышает предельно допустимое значение, срабатывает программная или аппаратная блокировка, работа приостанавливается. Важно правильно выбрать методику измерения, обеспечивающую требуемую стойкость к экстремальным условиям, которые могут возникать во время сбоя.
Для измерения тока применяются различные методы и токочувствительные компоненты:
1. Прямое измерение (резистивный):
а) токочувствительные резисторы;
б) активное сопротивление катушки индуктивности.
2. Непрямое измерение (магнитное поле):
а) трансформатор тока;
б) пояс Роговского;
в) на основе эффекта Холла.
3. Прямое измерение с помощью транзисторов:
а) RDS_ON;
б) определение отношения.
У каждого метода есть свои достоинства и недостатки. От выбора методики зависит надежность устройства. Методы измерения можно разделить на два класса: прямые и косвенные. Для прямого измерения тока в схему включается токочувствительный элемент без изоляции. При косвенном измерении применяются изолирующие элементы, которые гарантируют безопасность работы основной схемы. Основные параметры методов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Основные методы измерения тока

Метод (чувствительный элемент)

Точность

Изоляция

ЭМИ (защитное сопротивление)

Надежность

Размер

Стоимость

Прямое измерение на резисторе

Токочувствительный резистор

Высокая

нет

Высокое

Высокая

Малый

Низкая

Активное сопротивление дросселя

Низкая

Нет

Среднее

Высокая

Малый

Низкая

Прямое измерение с помощью транзистора

RDS_ON

Низкая

Нет

Среднее

Средняя

Малый

Низкая

Отношение токов

Средняя

Нет

Среднее

Средняя

Малый

Косвенный (электромагнитный) метод

Трансформатор тока

Высокая

Есть

Среднее

Высокая

Большой

Средняя

Пояс Роговского

Высокая

Есть

Среднее

Высокая

Большой

средняя

Напряжение Холла

Высокая

есть

Высокое

Средняя

Средний

Высокая


Токочувствительный резистор

Измерения с помощью резистора проводятся напрямую. Достоинствами данного метода являются простота и линейность характеристики. Токочувствительный резистор имеет стабильный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) менее 0,01%/°С и не подвержен лавинному умножению и тепловому убеганию. Резисторы с очень низким сопротивлением (менее 1 мОм) из металлического сплава обеспечивают надежную защиту в случае короткого замыкания или скачков тока.

Катушка индуктивности

Следующий метод измерения тока основан на использовании сопротивления катушки индуктивности. Данный метод позволяет производить измерение без потерь, поскольку сопротивление мало, обычно менее 1 мОм, а кроме того дроссель является компонентом схемы. У этого подхода два недостатка. Во-первых, высокий ТКС дросселя (0,39%/ °С). Во время измерений приходится проводить мониторинг температуры и компенсировать ее изменение. Во-вторых, сопротивление катушки очень зависит от геометрических размеров, поэтому разброс сопротивления между идентичными компонентами может быть большим.

Трансформатор тока

Трансформатор тока имеет три преимущества:
– обеспечивает изоляцию от сетевого напряжения;
– не вносит потерь;
– возможность работы при высоком напряжении сигнала.
Для косвенного измерения тока с помощью трансформатора необходимо создать переменное магнитное поле, вызывающее ток во вторичной обмотке (см. рис. 1). Напряжение измеряется во вторичной обмотке и делится на коэффициент передачи. Метод характеризуется  высокой точностью, поскольку измеряемый ток проходит через обмотку с очень низким коэффициентом потерь. Тем не менее, нельзя забывать о потерях в сердечнике, в трансформаторе на сопротивлении нагрузки, а также на сопротивлении по постоянному току первичной и вторичной обмоток.

 

Рис. 1. Косвенное измерение тока

 

Пояс Роговского

Измерения с помощью пояса Роговского проводятся аналогично предыдущему методу. Измеряется напряжение во вторичной обмотке. Оно пропорционально току через изолированный проводник. Различие заключается в том, что пояс Роговского не имеет сердечника (см. рис. 2), поэтому его индуктивность меньше, чем у трансформатора тока. Соответственно, пояс Роговского обеспечивает более быстрый отклик и практически линейное напряжение. Этот метод часто используется для временного измерения тока, например, в мультиметрах. По сравнению с трансформатором тока пояс Роговского дешевле.

 

Рис. 2. Пояс Роговского

 

Эффект Холла

Обратимся к рисунку 3. Когда проводник с током помещен в магнитное поле, в нем возникает разность потенциалов перпендикулярно линиям напряженности магнитного поля. Она пропорциональна величине тока и получила название напряжение Холла.

 

Рис. 3. Эффект Холла

Достоинством данного метода является возможность измерять большие токи с небольшими потерями. Среди недостатков следует отметить нелинейный температурный дрейф (необходимо применять меры для компенсации), ограниченную полосу частот, чувствительность к внешнему магнитному полю и высокую стоимость. Кроме того, небольшое изменение тока требует большого изменения напряжения, что может привести к ошибке. Из-за такого количества недостатков метод может применяться не всегда.

Транзисторы

При измерении тока с помощью транзистора практически нет потерь, поскольку транзистор является стандартным элементом схемы, никаких дополнительных резисторов или рассеивающих мощность элементов не требуется. Метод хорошо подходит для измерения максимально допустимого тока.

 

Рис. 4. Использование сопротивления при включении для измерения тока

В технической документации транзистора указывается сопротивление сток-исток при включении RDS_ON. Обычно оно составляет несколько мОм для силовых МОП-транзисторов (см. рис. 4). Ток через МОП-транзистор можно вычислить по формуле:
ILoad = VRDS_ON/RDS_ON.
Сопротивление RDS_ON складывается из нескольких составляющих, каждая из них вносит ошибку измерения, обусловленную незначительными отклонениями или различиями ТКС. Воздействие температуры может быть компенсировано. Для этого производится мониторинг температуры. В измеренное напряжение вносится поправка на температурное изменение сопротивления. Часто ТКС для МОП-транзистора достигает 0,4%/°С. Диапазон точности данного метода составляет 10—20%, и этого вполне достаточно для схем защиты от скачков тока.

 

Рис. 5. Принципиальная схема токочувствительного МОП-транзистора

 

МОП-транзистор состоит из тысяч транзисторных ячеек, соединенных параллельно, поэтому сопротивление при включении мало. В токочувствительном транзисторе (см. рис. 5) используется небольшая часть параллельно соединенных ячеек, в которых все транзисторы имеют общий затвор и сток. Они образуют второй изолированный транзистор, который и является чувствительным элементом. Когда транзистор включен, ток через чувствительный элемент является частью тока, протекающего через остальные ячейки. В зависимости от транзистора точность метода может варьироваться от 5% до 15—20%. Этого недостаточно для схем контроля тока, в которых требуется точность порядка 1%, однако подходит для защиты от короткого замыкания или скачков тока.

Технологии изготовления резисторов

Тонкопленочные резисторы обычно не используются в схемах измерения тока, однако для полноты картины мы расскажем и о них. Обычно эти резистивные элементы предназначены для прецизионных схем. Их толщина составляет 0,000001—0,000004 дюйма. При правильном использовании переходные процессы на них не влияют. Однако они не рассчитаны на работу с большим токами.
Толстые пленки имеют толщину 0,0005—0,002 дюйма, т.е они примерно в 100 раз толще тонких. Они лучше проводят сильный ток, рассеивают тепло в подложку и лучше справляются с переходными токами. Второе преимущество — более широкий выбор номиналов. Недостаток заключается в том, что они не настолько точны (малые допуски), как тонкопленочные.
Фольгированные резисторы имеют большое поперечное сечение. В них используется однородный резистивный сплав. В толстопленочных резисторах используются резистивные материалы, распределенные по стеклянной матрице. Фольгированные резисторы выдерживают большие переходные токи, имеют небольшое сопротивление и низкий ТКС.
Резисторы из сплава характеризуются самой высокой стойкостью по отношению к переходным токам, поскольку ток протекает по большой массе проводящего материала. Сопротивление может быть очень маленьким — 0,0005 Ом. ТКС — низкий. Разброс сопротивлений не такой большой, как у толстопленочных резисторов. Резисторы, изготовленные по данной технологии, отлично подходят для источников питания высокого тока и схем, в которых при нарушении нормальных условий работы может возникать очень высокий ток.

Особенности подключения

В силовых схемах необходимо использовать резисторы с маленьким номиналом, чтобы они рассеивали мало тепла и в то же время обеспечивали требуемый уровень сигнала. Часто используется четырехконтактное подключение, чтобы ослабить влияние сопротивления контакта.
Резисторы CSL (см. рис. 6) имеют четыре вывода — два для подключения соединительных проводников (с большой площадью сечения) и два для измерительного прибора (с малым сечением). Использование отдельных выводов позволяет уменьшить погрешность измерения, которая возникает из-за сопротивления контакта. Ток, текущий через внутреннюю и внешнюю пару выводов может различаться на порядки.

 

Рис. 6. Подключение резистора CSL: через четыре контактные площадки (слева) и сквозные отверстия (справа)

Как видно из рисунка 6, есть два варианта контактной площадки. Слева площадка разделяется на две изолированные зоны разной площади. При этом размер контактной площадки для силовых выводов резистора может оказаться недостаточным, если протекающий ток очень большой. Во втором варианте для создания изолированных измерительных контактных площадок применяются сквозные отверстия. При этом площадь соединения силовых линий максимальна.

Тепловая изоляция

Технология OARS — open air resistor surface mount (воздушное охлаждение резисторов при поверхностном монтаже) уникальна тем, что резистор касается платы только в местах контакта, а средняя часть приподнята, чтобы большая часть тепла рассеивалась в окружающую среду, а не на плату.
У такого подхода два преимущества. Во-первых, он позволяет исключить порчу платы из-за чрезмерного перегрева. Самый распространенный материал печатной платы — FR4 — может подвергаться температуре не более 130°С. Если ток выходит за допустимые границы, резистор может сильно нагреться и повредить печатную плату. Во-вторых, если отводить тепло не на плату, а в окружающую среду, характеристики соседних устройств, чувствительных к температуре, не будут ухудшаться. Имеются в виду такие параметры как срок службы, допустимая мощность, выходной световой поток, точность и надежность.
Диаграмма распределения тепла для компонентов OAR и OARS показана на рисунке 7. Измерения проводились на печатной плате из FR4 в безвоздушном пространстве. В воздушной среде результаты должны быть лучше. Обратим внимание на разницу температур паяного соединения и средней приподнятой части резистора. Ее можно использовать в схеме защиты от слишком больших скачков тока в качестве сигнала срабатывания. Температура печатной платы остается в допустимом диапазоне, хотя элементы схемы работают в экстремальных условиях.

 

Рис. 7. Диаграмма температурного поля резистора


Механические напряжения в паяном соединении

Приподнятая изогнутая конструкция элементов OARS позволяет им гнуться, это очень важное достоинство. Гибкость позволяет уменьшить механические напряжения внутри компонента, возникающие из-за разницы температурных коэффициентов расширения между материалом резистора и платы. Стандартные компоненты поверхностного монтажа имеют плоскую форму и прилегают к плате. При повышении температуры в них возникают силы, стремящиеся сдвинуть соединение. В результате в схеме может произойти сбой или изменение каких-либо параметров. Поэтому в таких случаях предпочтительнее использовать гибкие компоненты OARS (см. рис. 8).

 

Рис. 8. Механические свойства плоских и гибких резисторов

На рисунке 9 показаны резисторы LRF3W компании TT electronics. Они имеют ряд схемотехнических преимуществ. В частности, контактные площадки расположены вдоль длинных сторон компонента. За счет этого номинальная мощность увеличивается до 3 Вт, что позволяет не ограничивать длину трассировочных линий. Благодаря разности температурных коэффициентов расширения материала резистора и печатной платы уменьшаются механические напряжения в паяном соединении.

 

Рис. 9. Резисторы LRF3W


Литература
1. Yarborough В. Сomponents and Methods for Current Measurement// www.powerelectronics.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *