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Sensor

Resistor Shunt de Corrente

Calcula a queda de tensão no shunt, saída do amplificador, dissipação de potência e resolução ADC para medição de corrente.

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Fórmula

Vsh=I×Rsh,P=I2×RshV_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh
R_sh— Resistência à derivação (Ω)
I— Corrente medida (A)

Como Funciona

Esta calculadora determina os parâmetros do resistor de derivação de corrente e os requisitos do amplificador para medição de corrente de precisão, essenciais para projetistas de sistemas de gerenciamento de baterias, engenheiros de controle de motores e desenvolvedores de eletrônica de potência. Um desvio de corrente é um resistor de precisão de baixa resistência (típico de 1-100 mOhm) em série com o caminho da corrente, produzindo uma queda de tensão Vsh = I Rsh de acordo com a lei de Ohm. As principais desvantagens são a dissipação de energia (P = I^2 Rsh, que não deve superaquecer a derivação ou degradar a eficiência) e a relação sinal/ruído (maior Rsh = mais voltagem = melhor SNR, mas mais perda). Um shunt de 5 mOhm a 20A dissipa 2W e produz 100 mV. Amplificadores dedicados de detecção de corrente (INA240, INA219, MAX9634) amplificam esse sinal de milivolts com ganhos de 20-200 V/V e CMRR >120 dB por folha de dados. O sensor lateral alto (desvio entre alimentação e carga) detecta correntes de falha e falhas de aterramento, mas requer amplificadores de alto modo comum com classificação de 80 V+ por INA240. O sensor de lado baixo (desvio entre a carga e o solo) usa amplificadores mais simples, mas o solo de carga flutua em Vsh.

Exemplo Resolvido

Problema: projete o sensor de corrente para um controlador de motor de bicicleta elétrica de 48V/30A. Requisitos: precisão de +/- 0,5%, perda de eficiência de < 0,5%, ADC de 12 bits com referência de 3,3V.

Solução:

  1. Orçamento de energia: 0,5% de 48V* 30A = 7,2W no máximo; alvo 2W -> Rsh = P/I^2 = 2/900 = 2,22 mOhm
  2. Use derivação padrão de 2 mOhm (Vishay WSL2512, +/ -0,5%, 1W por elemento, use 2 em paralelo)
  3. Tensão em grande escala: Vsh = 30A * 2 mOhm = 60 mV
  4. Ganho necessário para saída de 3,0 V: G = 3000/60 = 50 V/V
  5. Selecione INA240A2 (ganho = 50 V/V, CMRR = 132 dB, largura de banda = 400 kHz)
  6. Resolução: 3,3 V/4096/50 = 16,1 uV = 8,1 mA/LSB
  7. Dissipação de energia: 30 ^ 2 * 0,002 = 1,8 W (dentro do orçamento de 2 W, perda de eficiência de 0,125%)
  8. Conexão Kelvin necessária: a derivação de 4 terminais elimina o erro de resistência a traços de PCB
Resultado: o shunt de 2 mOhm com INA240A2 fornece resolução de 8 mA, precisão de +/- 0,5% e perda de eficiência de apenas 0,125% em corrente total.

Dicas Práticas

  • ✓Use ICs amplificadores dedicados com sensor de corrente (INA240, INA219, MAX9634) em vez de amplificadores de instrumentação discretos; eles incluem filtros EMI, ganho de precisão e rejeição otimizada de modo comum para ambientes de comutação, de acordo com o SLVA458 da Texas Instruments
  • ✓Para o gerenciamento da bateria, o sensor do lado baixo (desvio entre o negativo da bateria e o aterramento da carga) evita a alta tensão no modo comum, mas monitora as falhas de aterramento separadamente; o sensor do lado alto detecta as correntes de carga e de falha
  • ✓Adicione um filtro RC na entrada do amplificador (diferencial de 10 Ohm + 100 nF) para suprimir o ruído de comutação de alta frequência dos drivers do motor PWM; isso limita a largura de banda a 160 kHz enquanto rejeita harmônicos de comutação de >1 MHz

Erros Comuns

  • ✗Usando derivação lateral alta com amplificador referenciado ao solo: o sensor de alto lado requer amplificadores classificados para tensão de modo comum (INA240 a 80V, INA282 a 110V); os amplificadores operacionais referenciados ao solo saturam quando Vcm excede os trilhos de alimentação
  • ✗Ignorando as conexões Kelvin: as derivações padrão de 2 terminais incluem resistência ao traço de PCB que adiciona erro de medição; use derivações de 4 terminais (Kelvin) e direcione os traços de detecção de tensão diretamente dos sensores de derivação, de acordo com a nota de aplicação da Vishay: AN-28e
  • ✗Classificação de potência de derivação subdimensionada: em altas correntes, I^2 domina; uma derivação de 10 mOhm a 10 A dissipa 1 W e desviará significativamente se for nominal para apenas 0,25 W; use 2x a redução de energia de acordo com IPC-2221

Perguntas Frequentes

O sensor de lado inferior coloca a derivação entre o solo de carga e o aterramento do sistema; amplificadores simples de alimentação única funcionam (Vcm próximo a 0V), mas o solo de carga flutua em Vsh (normalmente de 50 a 100 mV) e as correntes de falha no aterramento contornam a derivação. O sensor de alto lado coloca a derivação entre a alimentação e a carga; fornece uma verdadeira base comum e detecta todas as correntes, incluindo falhas, mas requer amplificadores de alto modo comum. O INA240 lida com o modo comum de 80V; o INA282 lida com 110V. O lado alto é preferido para aplicações críticas de segurança, de acordo com a ISO 26262.
Defina uma tensão de 50-100 mV em grande escala para um bom SNR, limitando a perda de energia a < 1% da potência do sistema. Rsh = VSH_Target/Imax. Para 100 mV a 10A, use 10 mOhm. Em seguida, verifique a potência: P = I^2 * R = 100 * 0,01 = 1W. Selecione derivação nominal para 2x a potência calculada com TCR10A <50 ppm/C. Common values: 1-10 mOhm for >, 10-100 mOhm para 1-10A, 100 mOhm-1 Ohm para <1A de acordo com as guias de seleção Vishay e Bourns.
Somente para aplicações sem precisão. Os resistores de filme metálico padrão de 1% têm TCR de 100 ppm/C, causando um desvio de 1% acima de 100C. Resistores de derivação de precisão (Vishay WSL, Bourns CSM, Ohmite LVK) têm TCR <50 ppm/C, melhor acoplamento térmico e conexões Kelvin de 4 terminais para detecção precisa. Para uma precisão de corrente de +/- 0,5%, use derivações de precisão com tolerância de +/- 0,5% e TCR <20 ppm/C de acordo com os requisitos da IEC 62576.

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