Selezionare e applicare efficacemente amplificatori di rilevamento della corrente per gestire al meglio la potenza

L'integrità e il controllo dell'alimentazione sono cruciali per dispositivi e sistemi portatili, IoT e automotive in cui i dispositivi elettronici alimentati a batteria o dalla rete elettrica devono controllare la distribuzione dell'energia elettrica monitorando le correnti di alimentazione. Il rilevamento della corrente è fondamentale per prolungare la durata delle batterie, prevenire le condizioni di sovracorrente, monitorare i guasti a massa e ottimizzare il controllo delle fonti di alimentazione. Il problema è rendere queste misurazioni accurate a dispetto delle alte tensioni di modo comune.

Gli amplificatori per rilevamento di corrente (CSA) o i monitor a shunt di corrente sono amplificatori differenziali su circuito integrato progettati appositamente per questa importante misurazione. La misurazione della corrente si basa sul calcolo della caduta di tensione nei resistori di shunt in serie usati come sensori di corrente. La selezione e il posizionamento di questi shunt e dei relativi amplificatori per rilevamento di corrente sono fondamentali per una corretta distribuzione ed efficienza dell'energia elettrica.

Questo articolo descriverà i criteri per la selezione degli shunt e degli amplificatori per rilevamento di corrente, in base ai requisiti di precisione e ai costi.

Rilevamento della corrente tramite resistore

La tecnica più semplice per misurare la corrente consiste nell'inserire un piccolo resistore, chiamato anche shunt di corrente, in serie con la corrente da misurare. Viene misurata la tensione sul resistore e la corrente viene calcolata applicando la legge di Ohm basata sul valore conosciuto del resistore. Questo metodo ha il vantaggio della semplicità, del costo contenuto e della linearità.

Al momento di scegliere il resistore per rilevamento di corrente, occorre prestare attenzione alla sua precisione, al coefficiente termico della resistenza (TCR) e alla potenza nominale. Il valore della resistenza determina la caduta di tensione attraverso il resistore per un dato valore della corrente. Stabilisce anche la potenza dissipata dal resistore di rilevamento. In genere, il valore del resistore di rilevamento è una frazione di un ohm. Per questa applicazione sono disponibili resistori specializzati. Questi resistori utilizzano elementi metallici sotto forma di piastre, lamine o film oppure elementi ibridi a film sottile o spesso depositato.

Un esempio di resistore di shunt a montaggio superficiale con elementi metallici è il resistore per rilevamento di corrente MCS3264R005FEZR di Ohmite (Figura 1). Questo dispositivo a montaggio superficiale (SMD) è un resistore a due terminali, da 5 mΩ con una potenza nominale di 2 W e un TCR di 50 ppm/°C.

Figura 1: MCS3264R005FEZR di Ohmite è un resistore di shunt da 5 mmΩ a montaggio superficiale con elementi metallici. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

I resistori di shunt sono disponibili anche con una configurazione a quattro terminali (Kelvin). Nella connessione Kelvin, la corrente viene alimentata a una coppia di terminali di connessione sorgente. Subito accanto alla resistenza di shunt vengono effettuate altre due connessioni di rilevamento (conduttori di tensione). Il posizionamento dei conduttori di tensione evita la caduta di tensione associata ai conduttori sorgente o ai contatti. Dato che allo strumento di misurazione non arriva quasi corrente, la caduta di tensione nei conduttori di rilevamento è trascurabile. FC4TR050FER di Ohmite è un esempio di shunt di corrente da 50 mΩ, con lamina in metallo e quattro terminali.

È opportuno ricordare che il valore del resistore di rilevamento cambierà col variare della temperatura a causa del suo coefficiente termico della resistenza (TCR). La scelta di un resistore con un basso TCR, l'uso di un resistore ad alta potenza nominale o di un dissipatore di calore sono tutti modi per ridurre al minimo le variazioni di resistenza dovute agli effetti della temperatura.

Amplificatori per rilevamento di corrente (CSA)

Un amplificatore per rilevamento di corrente è uno speciale amplificatore differenziale su circuito integrato progettato per rilevare la tensione sviluppata attraverso uno shunt di corrente e inviare una tensione proporzionale alla corrente misurata. La tensione attraverso il resistore di rilevamento di corrente in genere è compresa tra 1 e 100 mV, ma può arrivare alla tensione nominale del bus. Il CSA è progettato per avere un alto rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) per eliminare la tensione del bus dall'uscita. Questi dispositivi sono progettati per gestire tensioni di modo comune in eccesso rispetto alla propria tensione di alimentazione.

Lo schema semplificato di un amplificatore per rilevamento di corrente riportato nella Figura 2 mostra un tipico amplificatore differenziale con ingressi invertenti e non invertenti e un'uscita singola.

Figura 2: Schema semplificato di un tipico amplificatore per rilevamento di corrente. Il guadagno è determinato dai rapporti tra i resistori R2 e R1 e tra R4 e R3. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I valori dei resistori determinano il guadagno del CSA. La struttura è simmetrica con R1 = R3 e R2 = R4. Il guadagno è determinato dal rapporto tra R2 e R1 e da quello tra R4 e R3. In una tipica implementazione di CSA come INA210CIDCKR ad alte prestazioni di Texas Instruments, R2 e R4 sono da 1 MΩ, mentre R1 e R3 sono da 5 kΩ per un guadagno di 200 V/V. La precisione del guadagno per questa versione dell'amplificatore è dello 0,5%. La tensione di alimentazione nominale per questo CI va da 2,7 a 26 V, ma quella di ingresso massima di modo comune va da -3 a 26 V, a prescindere dalla tensione di alimentazione. Questa è la caratteristica distintiva chiave del CSA. La tensione di offset in ingresso è di soli 35 µV e il CMRR in genere è di 140 dB.

A seconda dell'applicazione, un CSA più economico potrebbe essere INA180B3IDBVR di Texas Instruments. Questo CSA ha un intervallo della tensione di ingresso di modo comune identico ed è disponibile con guadagni di 20, 50, 100 e 200 V/V. La precisione del guadagno è dell'1% e il CMRR è di 100 dB con una tensione di offset in ingresso di 100 µV.

Configurazioni di rilevamento di corrente

Esistono due topologie di rilevamento di corrente: rilevamento high-side e low-side. Nella configurazione high-side, il resistore di rilevamento viene posto tra la sorgente della tensione e il carico, mentre nel caso del rilevamento low-side lo shunt viene messo tra il carico e la terra (Figura 3).

Figura 3: Nel rilevamento high-side lo shunt (R_SENSE) viene messo tra la sorgente e il carico, mentre nel rilevamento low-side viene messo tra il carico e la terra. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il rilevamento low-side ha il riferimento di massa e una bassa tensione di modo comune di ingresso. L'amplificatore per il monitoraggio della corrente e il relativo circuito risultano pertanto più semplici, il che in genere si traduce in costi inferiori.

Lo svantaggio della connessione low-side è che porta il carico oltre la terra. La corrente che scorre attraverso il resistore di shunt aumenta o abbassa il livello di riferimento del sistema col variare dei valori della corrente. Ciò può causare problemi in un anello di controllo. Inoltre, in questa configurazione circuitale, i cortocircuiti a terra del bus di tensione attorno al resistore di shunt non sono rilevabili.

La topologia high-side ha il vantaggio che il carico e il riferimento di sistema sono fissi sulla terra indipendentemente dalla corrente monitorata e che i cortocircuiti del bus a terra sono facilmente rilevabili.

Per contro, c'è una tensione di modo comune vicina alla tensione del bus all'ingresso del circuito di misura. Oltre a sollecitare l'amplificatore, in alcune applicazioni potrebbe anche essere necessario abbassare il livello di uscita del CSA fino a portarlo molto vicino al livello di riferimento del sistema.

I problemi legati al rilevamento high-side hanno portato allo sviluppo di molte famiglie di CSA. INA180 e INA210 sono due nuovi CSA in grado di gestire tensioni di modo comune tra -3 e 26 V, indipendentemente dalle loro tensioni di alimentazione. Sono destinati ad applicazioni quali ad esempio il controllo motori, il monitoraggio delle batterie e la gestione dell'alimentazione. Le applicazioni con tensioni di bus superiori possono usare altri CSA che offrono intervalli di tensione di modo comune in ingresso fino a 80 V. Per valori superiori, i CSA richiedono l'uso di componenti esterni per isolare l'amplificatore dalla tensione di modo comune oppure sono necessari amplificatori isolati.

Selezione del valore del resistore di rilevamento

Il valore del resistore di rilevamento è importante per garantire che la caduta di tensione attraverso di esso sull'intervallo di corrente previsto del bus sia ben al di sopra dell'offset della tensione del CSA e di qualsiasi altro rumore verticale. La potenza nominale del resistore di rilevamento verrà determinata dalla corrente massima del bus e dalla caduta di tensione massima.

Si consideri, ad esempio, un bus a 12 V da cui ci si aspetta il trasporto di un massimo di 2 ampere. Se si usa il CSA INA210, la caduta di tensione sullo shunt dovrebbe essere superiore alla tensione di offset massima di 35 µV.

Il rapporto di reiezione di modo comune è nell'intervallo tra 105 e 140 dB. Usando il valore inferiore (105 dB), il potenziale del bus di 12 V (la tensione di modo comune) verrà attenuato a circa 67 µV. Apparirà come una tensione di offset sull'uscita del CSA, moltiplicata per il guadagno dell'amplificatore. Questo offset residuo di modo comune non è dovuto alla corrente misurata e in questo caso il residuo non costituisce un problema perché è inferiore all'1% del valore misurato.

Occorre scegliere un valore del resistore di rilevamento in modo da assicurare una caduta di tensione molto superiore alla tensione di offset. Per un'oscillazione unipolare di 2 V sull'uscita di INA210, che ha un guadagno di 200, l'ingresso dovrebbe essere di 10 mV. Questo valore è di gran lunga superiore all'offset della tensione di ingresso o al residuo di modo comune specificato. Con una corrente nominale massima di 2 ampere, il valore del resistore di rilevamento dovrebbe essere di 5 mΩ. La potenza nominale dello shunt dovrebbe essere almeno pari al doppio della dissipazione di potenza nominale massima prevista di 20 mW. Con la sua potenza nominale di 2 W, MCS3264R010FEZR di Ohmite descritto in precedenza sarebbe idoneo.

Simulando questa configurazione tramite il programma TINA-TI di Texas Instruments possiamo vedere le caratteristiche di trasferimento c.c. e c.a. del circuito (Figura 4). La funzione di trasferimento c.c. mostra una risposta lineare con una pendenza di 1 V/A. Ciò produrrà un'uscita a 2 V per una corrente massima di 2 A. La risposta c.a. ha una larghezza di banda di 20 kHz.

Figura 4: Simulazione del circuito tramite TINA-TI di Texas Instruments utilizzando lo shunt di corrente da 5 mΩ che mostra la funzione di trasferimento lineare c.c. con una pendenza di 1 V/A. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

Gli amplificatori per rilevamento di corrente sono progettati specificamente per misurare le correnti del bus in base alla caduta di tensione tra i resistori di shunt in serie. Sono particolarmente idonei per misurazioni high-side in cui sono presenti tensioni di modo comune elevate. Questi amplificatori sono facili da selezionare e, se utilizzati correttamente, possono offrire risultati eccellenti per la misurazione, il monitoraggio e il controllo dell'energia elettrica nei sistemi elettronici.