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Sensor

Resistencia Shunt de Corriente

Calcula la caída de voltaje del shunt, salida del amplificador, disipación de potencia y resolución ADC para medición de corriente.

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Fórmula

Vsh=I×Rsh,P=I2×RshV_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh
R_sh— Resistencia de derivación (Ω)
I— Corriente medida (A)

Cómo Funciona

Esta calculadora determina los parámetros de la resistencia de derivación de corriente y los requisitos del amplificador para una medición precisa de la corriente, algo esencial para los diseñadores de sistemas de administración de baterías, los ingenieros de control de motores y los desarrolladores de electrónica de potencia. Una derivación de corriente es una resistencia de precisión de baja resistencia (normalmente de 1 a 100 mOhm) en serie con la trayectoria de la corriente, lo que produce una caída de tensión Vsh = I Rsh según la ley de Ohm. Las principales ventajas y desventajas son la disipación de energía (P = I^2 Rsh, que no debe sobrecalentar la derivación ni degradar la eficiencia) y la relación señal/ruido (mayor Rsh = más voltaje = mejor SNR pero más pérdida). Una derivación de 5 mOhm a 20 A disipa 2 W y produce 100 mV. Los amplificadores de detección de corriente dedicados (INA240, INA219, MAX9634) amplifican esta señal de milivoltios con ganancias de 20 a 200 V/V y un CMRR de >120 dB según las hojas de datos. La detección del lado alto (derivación entre la alimentación y la carga) detecta las corrientes de falla y las fallas a tierra, pero requiere amplificadores de modo muy común con una potencia de más de 80 V por cada INA240. La detección del lado bajo (derivación entre la carga y la tierra) utiliza amplificadores más simples, pero la carga terrestre flota en Vsh.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe la detección de corriente para un controlador de motor de bicicleta eléctrica de 48 V/30 A. Requisitos: +/- 0,5% de precisión, < 0,5% de pérdida de eficiencia, ADC de 12 bits con referencia de 3,3 V.

Solución:

  1. Presupuesto energético: 0,5% de 48 V*30 A = 7,2 W como máximo; objetivo 2 W -> Rsh = P/I^2 = 2/900 = 2,22 mOhm
  2. Utilice una derivación estándar de 2 mOhm (Vishay WSL2512, +/ -0,5%, 1 W por elemento, utilice 2 en paralelo)
  3. Voltaje a gran escala: Vsh = 30 A * 2 mOhm = 60 mV
  4. Ganancia requerida para la salida de 3,0 V: G = 3000/60 = 50 V/V
  5. Seleccione INA240A2 (ganancia = 50 V/V, CMRR = 132 dB, ancho de banda = 400 kHz)
  6. Resolución: 3,3 V/4096/50 = 16,1 uV = 8,1 mA/lsb
  7. Disipación de potencia: 30 ^ 2 * 0,002 = 1,8 W (dentro del presupuesto de 2 W, pérdida de eficiencia del 0,125%)
  8. Se requiere una conexión Kelvin: la derivación de 4 terminales elimina el error de resistencia al rastro de la PCB
Resultado: la derivación de 2 mOhm con el INA240A2 proporciona una resolución de 8 mA, una precisión de +/- 0,5% y una pérdida de eficiencia de solo el 0,125% a plena corriente.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice circuitos integrados amplificadores de detección de corriente dedicados (INA240, INA219, MAX9634) en lugar de amplificadores de instrumentación discretos; estos incluyen filtros EMI, ganancia de precisión y rechazo optimizado de modo común para entornos de conmutación, según Texas Instruments SLVA458
  • ✓Para la gestión de la batería, la detección del lado bajo (derivación entre el negativo de la batería y la carga a tierra) evita un voltaje alto en el modo común, pero monitorea las fallas a tierra por separado; la detección del lado alto detecta las corrientes de carga y de falla
  • ✓Agregue un filtro RC en la entrada del amplificador (diferencial de 10 ohmios + 100 nF) para suprimir el ruido de conmutación de alta frecuencia de los controladores de motor PWM; esto limita el ancho de banda a 160 kHz y rechaza los armónicos de conmutación de más de 1 MHz

Errores Comunes

  • ✗Uso de una derivación de lado alto con un amplificador con referencia a tierra: la detección de lado alto requiere amplificadores clasificados para voltaje de modo común (INA240 a 80 V, INA282 a 110 V); los amplificadores operacionales con referencia a tierra se saturan cuando el Vcm supera los rieles de suministro
  • ✗Ignorar las conexiones Kelvin: las derivaciones estándar de 2 terminales incluyen una resistencia de rastreo de PCB que añade errores de medición; utilice derivaciones de 4 terminales (Kelvin) y enrute las trazas de detección de voltaje directamente desde las almohadillas de detección de derivación según la nota de aplicación Vishay AN-28e
  • ✗Potencia nominal de derivación de tamaño insuficiente: a altas corrientes, I^2 domina; una derivación de 10 mOhm a 10 A disipa 1 W y se desviará significativamente si solo tiene una potencia nominal de 0,25 W; utilice una reducción de potencia del doble según IPC-2221

Preguntas Frecuentes

La detección del lado bajo coloca la derivación entre la tierra de carga y la masa del sistema; los amplificadores simples de alimentación única funcionan (Vcm cerca de 0 V), pero la tierra de carga flota en Vsh (normalmente de 50 a 100 mV) y las corrientes de falla a tierra evitan la derivación. La detección del lado alto coloca la derivación entre la alimentación y la carga; proporciona una verdadera conexión común y detecta todas las corrientes, incluidas las fallas, pero requiere amplificadores de modo muy común. El INA240 maneja el modo común de 80 V; el INA282 maneja 110 V. Según la norma ISO 26262, se prefiere el lado alto para aplicaciones críticas desde el punto de vista de la seguridad.
Concéntrese en un voltaje de 50 a 100 mV a gran escala para obtener una buena SNR y, al mismo tiempo, limitar la pérdida de energía a menos del 1% de la energía del sistema. Rsh = VSH_Target/Imax. Para 100 mV a 10 A, utilice 10 mOhm. A continuación, verifique la potencia: P = I^2 * R = 100 * 0,01 = 1 W. Seleccione una derivación nominal para duplicar la potencia calculada con el TCR10A, de 10 a 100 mOhm para de 1 a <50 ppm/C. Common values: 1-10 mOhm for > 10 A, de 100 mOhm a 1 ohmio para menos de 1 A, según las guías de selección de Vishay y Bourns.
Solo para aplicaciones que no sean de precisión. Las resistencias estándar de película metálica al 1% tienen un TCR de 100 ppm/C, lo que provoca una deriva del 1% por encima de los 100 °C. Las resistencias de derivación de precisión (Vishay WSL, Bourns CSM, Ohmite LVK) tienen un TCR <50 ppm/C, un mejor acoplamiento térmico y conexiones Kelvin de 4 terminales para una detección precisa. Para obtener una precisión de corriente de +/ -0,5%, utilice derivaciones de precisión con una tolerancia de +/ -0,5% y un TCR de <20 ppm/c según los requisitos de la norma IEC 62576.

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