Resistencia Shunt de Corriente
Calcula la caída de voltaje del shunt, salida del amplificador, disipación de potencia y resolución ADC para medición de corriente.
Fórmula
V_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh
Cómo Funciona
Una derivación de corriente es una resistencia de precisión de baja resistencia colocada en serie con una trayectoria de corriente para producir una caída de voltaje medible proporcional a la corriente: V_sh = I × R_sh. Esta pequeña tensión (normalmente de 1 a 100 mV a escala completa) se amplifica luego mediante un amplificador diferencial o un circuito integrado de amplificador de detección de corriente (CSA) dedicado para el muestreo ADC. Los principales inconvenientes son la disipación de potencia (P = I² × R_sh, que no debe sobrecalentar la derivación ni afectar a la eficiencia del circuito), la ganancia del amplificador (una ganancia más alta permite reducir el R_sh pero aumenta el ruido) y la resolución ADC. Para un ADC de 12 bits con V_ref a escala completa, la resolución actual es ΔI = (V_ref/4096)/(G × R_sh). Los valores de derivación más comunes son de 1 a 100 mΩ para aplicaciones de alta corriente (>1 A) y de 1 a 10 Ω para mediciones de baja corriente (<100 mA). Los circuitos integrados dedicados (INA219, INA240, MAX9934) integran el amplificador y suelen incluir un ADC sigma-delta para la lectura de corriente digital continua a través de I²C.
Ejemplo Resuelto
Problema: Mida de 0 a 20 A con una derivación de 5 mΩ con un INA240 (ganancia = 20 V/V) y un ADC de 12 bits de 3,3 V. Encuentre el voltaje de derivación, la salida del amplificador a escala completa y la resolución. Solución: 1. Resistencia de derivación: R_sh = 5 mΩ = 0.005 Ω 2. Voltaje de derivación a gran escala: V_sh = 20 A × 0.005 Ω = 100 mV 3. Salida amplificada: V_amp = 100 mV × 20 = 2.0 V (dentro del rango ADC de 3.3 V ✓) 4. Disipación de potencia a 20 A: P = 20² × 0.005 = 2 W; utilice una derivación nominal de 3 W 5. Resolución ADC: ΔI = (3,3/4096)/(20 × 0,005) = 0,806 mV/0,1 V/A = 8,06 mA/lsB Resultado: La derivación de 5 mΩ proporciona una salida amplificada de 2,0 V a escala completa de 100 mV y 8 mA por paso de ADC.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice un circuito integrado de amplificador de detección de corriente dedicado en lugar de un amplificador de instrumentación discreto: el INA240, el INA219 y el MAX9934 están diseñados para la detección de corriente bidireccional con filtros EMI integrados.
- ✓Para administrar la batería, utilice la detección del lado bajo (derivación entre la tierra de carga y la masa del sistema) para evitar problemas de voltaje en modo común cuando el riel de suministro varía.
- ✓Agregue un pequeño filtro RC en la entrada del amplificador (por ejemplo, un diferencial de 10 Ω + 100 nF) para suprimir el ruido de conmutación de alta frecuencia de los controladores de motor PWM.
Errores Comunes
- ✗Colocar la derivación en el lado alto y utilizar un amplificador con referencia a tierra de alimentación única: la detección del lado alto requiere un amplificador de diferencia de alto voltaje o de riel a riel; los amplificadores con referencia a tierra solo funcionan para derivaciones del lado bajo.
- ✗Haciendo caso omiso de las conexiones Kelvin: las trazas de PCB normales a la derivación añaden una resistencia en serie que aparece como un error de medición; utilice una resistencia en derivación de 4 terminales (Kelvin) y dirija las trazas de detección de voltaje directamente desde los terminales de la derivación.
- ✗Potencia en derivación insuficiente: en corrientes altas predomina el término I²; una derivación de 10 mΩ a 10 A disipa 1 W y se desviará significativamente si solo se utiliza una resistencia de 0,1 W.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la detección de corriente en el lado alto y en el lado bajo?
La detección del lado bajo coloca la derivación entre la carga y la tierra; los amplificadores simples de alimentación única funcionan, pero las perturbaciones del suelo afectan a la medición y la carga a tierra flota. La detección del lado alto coloca la derivación entre la alimentación y la carga, lo que permite realizar una verdadera medición desde el punto de vista común y detectar las corrientes de fuga, pero requiere un amplificador de alta tensión en modo común (por ejemplo, un INA240 con una potencia nominal de 80 V).
¿Cómo elijo el valor de resistencia de derivación?
Elija r_sh para producir un voltaje de 50 a 100 mV a gran escala (lo suficientemente pequeño como para minimizar la pérdida de energía, lo suficientemente grande para una buena SNR). A continuación, seleccione la ganancia del amplificador para que el voltaje amplificado llene el rango de entrada del ADC. Verifique que la disipación de potencia P = i²R_sh esté dentro de la potencia nominal de la derivación con un margen de seguridad de 2 veces mayor.
¿Puedo usar una resistencia estándar como derivación de corriente?
Solo si tiene un coeficiente de temperatura bajo (TCR < 50 ppm/°C) y está clasificado para la potencia requerida. Las resistencias estándar de película metálica al 1% tienen un TCR de ~ 100 ppm/°C; las resistencias de derivación de precisión (por ejemplo, las series Vishay WSL o BVS) tienen un TCR < 50 ppm/°C y conexiones Kelvin de cuatro terminales para una detección precisa.
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