Об использовании токовых шунтов и операционных усилителей

Во современной электронике очень часто используются цепи, отслеживающие потребление тока и напряжения. Благодаря этому возможен контроль зарядки аккумуляторов, реализация защиты от повышенного потребления мощности (короткого замыкания), блокировка нежелательных процессов, которые могут привести к выходу из строя устройства.

В цепях постоянного тока для измерения и контроля часто используют резистивные шунты. В цепях переменного тока в качестве датчика обычно также применяют шунты, либо токовые трансформаторы.

Мощный шунт, использующийся в цепях постоянного тока силой тока от 5A до 1200A (при I=50A падение напряжения на этом шунте равно 50 мВ):

Резисторы-токовые шунты RS2 и RS3на плате видеокарты (расположены справа и слева от предохранителя с буквой Q):

Контроль потребляемого тока и напряжения позволяет реализовать соответствующую защиту устройства, хотя в то же время может сам по себе стать причиной утраты работоспособности (ведь каждая дополнительная цепь снижает общий уровень надежности).

В статье «Устранение аппаратной неисправности, ограничивающей производительность видеокарт Nvidia» рассматривались особенности мониторинга потребления постоянного тока с использованием INA3221.

На AliExpress можно приобрести готовые для установки в любое устройство платы с микросхемой INA3221 и токовыми шунтами:

Материал, изложенный ниже, касается теоретических основ контроля тока (Current Sense) с помощью последовательно включенного шунта (токового резистора), которые позволят более осознанно подходить к анализу схемы различных устройств при ремонте, модернизации или профилактике.

Как работают цепи контроля тока с помощью шунтового резистора?

Практическое применение токового шунта основано на использовании закона Ома.

Для динамического измерения силы тока используют резисторы с очень малым и точно известным сопротивлением (Ultra-Low Resistance Chip Resistor for Current Detection), включенные последовательно с нагрузкой.

При включении устройства через них протекает ток, часть которого гасится на сопротивлении шунта, уменьшая подаваемое напряжение.

Измеряя падение напряжения (voltage drop) на шунтовом резисторе с известным сопротивлением можно вычислить величину тока. Таким образом, резистор-шунт работает в качестве контрольного датчика тока (причем одинаково успешно как для постоянного, так и для переменного).

Динамический контроль за падением напряжения на токовом шунте с помощью осциллографа:

Чтобы уменьшить потери на токовом шунте следует использовать резисторы с как можно меньшим сопротивлением, что усложняет процесс измерения падения напряжения (Offset Voltage) цепями контроля.

Для увеличения чувствительности используют усилитель тока — специальный микроконтроллер с высокоточным операционным усилителем (current sense amplifier).

Пример включения резистора-шунта последовательно с нагрузкой (1Ом слева и 0.01 Ом + операционный усилитель — справа):

Current sense amplifiers (операционные усилители, использующиеся в цепях измерения тока с помощью токового шунта), представляют собой специализированные дифференциальные усилители с точно подобранной резистивной цепью усиления со следующими стандартными характеристиками:

• основное назначение — контроль тока путем измерения падения напряжения на датчике (как правило, это шунтирующий резистор);
• рабочий диапазон токов — от 10 мкА до 100 А;
• широкий диапазон допустимых синфазных напряжений — от –16 до +80 В, а с дополнительными цепями — до сотен вольт.

Использование операционного усилителя (ОУ) и токового шунта позволяет осуществлять:

• Real-time защиту от превышения тока;
• мониторить ток и потребляемую мощность;
• измерять ток в цепях обратной связи.

Ключевыми параметрами ОУ являются:

• допустимый диапазон входного синфазного напряжения (Vicmr, Common Mode Range Voltage). Эта величина характеризует значения вольтажа, при которых ОУ работает корректно, а также насколько близко может быть входной сигнал к Uпит. Например, микросхема INA240 способна выдерживать синфазное напряжение от –4 В до +80 В при работе от источника питания с U=2,7 В. Несоблюдение VICMR может привести к появлению нежелательных эффектов: срезанию импульсов, сдвигу напряжения, изменению фазы или преждевременному достижению Uпит.
• минимальное напряжение смещения (Offset Voltage) — от этого показателя зависит минимальная величина сопротивления токового шунта. дифференциальная ошибка постоянного тока на входе усилителя. Современные операционные усилители могут работать с высокой точностью даже со смещением 10 мкВ, что позволяет использовать очень малые сопротивления шунтирующих резисторов для повышения эффективности системы.
• усиление (Gain) — параметр, обычно варьирующийся в диапазоне от 0,125 В/В до 1000 В/В с погрешностью порядка 0,01%.
• температурная стабильность (Temperature Stability) — параметр, характеризующий надежность измерения тока во всем рабочем диапазоне температур.

Схема измерения тока в цепи с помощью шунтового резистора сопротивлением 63 миллиОма:

В данной схеме используется дифференциальный усилитель, измеряющий вольтаж на шунтовом резисторе, а затем увеличивающий измеренное значение в 15 раз.

Максимальное значение измерямого тока зависит от мощности резистора-шунта. Исходя из закона Ома для цепей постоянного тока

I = (P / R)1/2 или I = √(P / R)

Для одноваттного резистора с R=0.062Ω максимальный ток равен

I = (1 / 0.062)1/2 = √16.129 = 4.016A

Усиление операционного усилителя в схеме контроля выбирается так, чтобы напряжение на его выходе (Vout) при максимальном токе не превышало допустимого для него значения.

В данном случае используем формулу

U = R * I * Кусиления

для I=4.016, R=0.062 и коэффициент усиления=15

U = 4.016 * 0.062 * 15=0.248 * 15 = 3.7 вольт.

Пример использования токового шунта Rsense и ОУ INA240 в импульсном блоке питания:

Выбор места подключения резистивного шунта

В реальных электронных цепях следует учитывать место токового шунта относительно GND:

В большинстве случаев токовый шунт подключают согласно схеме A — со стороны GND (Low-Side Measurements):

В этом случае токовый датчик и измерительное устройство используют общую землю, поэтому шунт располагают как можно ближе к GND.

Это нужно для снижения уровня сквозного (выравнивающего или синфазного) напряжения (Common Mode Voltage или Ground Loop):

Возникновение выравнивающего (сквозного) тока () при использовании общей земли на шунте и измерительном приборе (осциллографе):

Слишком большой ток утечки по проводам общей массы может исказить результаты измерения и даже вывести из строя чувствительный измерительный прибор.

Если шунт располагают с незаземленной стороны (High-Side Measurements), следует принимать меры для защиты измерительного устройства: надежно изолировать сигнальные провода от GND, либо использовать делитель напряжения и/или буферный усилитель:

Еще одним вариантом включения резистивного токового датчика является вариант in-line:

При таком подключении ОУ реагирует на сигнал ШИМ, кроме того на него негативно действует синфазная помеха.