Nozioni di base sulla misurazione della corrente: Parte 2 – Amplificatori di rilevamento della corrente

Di Steve Leibson

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Nota del redattore: la Parte 1 di questa serie ha illustrato i vari aspetti dei resistori di rilevamento della corrente. La Parte 2, questo articolo, tratta della progettazione e dell'uso degli amplificatori per aumentare a livelli utilizzabili la tensione che li attraversa.

I resistori di rilevamento della corrente, anche detti shunt, sono la tecnologia di scelta per misurare il flusso di corrente. Per non inficiare il flusso di corrente, hanno un piccolo valore che produce una tensione proporzionalmente piccola e che li attraversa. Di conseguenza, i progettisti devono utilizzare circuiti che amplificano questa piccola tensione per la conversione a monte da parte di un convertitore analogico/digitale (ADC).

Normalmente, la bassa tensione che attraversa il resistore di shunt deve essere aumentata da decine o centinaia di millivolt a decimi di volt o alcuni volt. Questo compito viene eseguito da un amplificatore operazionale o da un amplificatore di rilevamento della corrente. Un amplificatore di rilevamento della corrente è un amplificatore operazionale specializzato dotato di una rete di resistori di precisione tarati a laser integrati nel dispositivo per regolarne il guadagno. Tipicamente, i guadagni di tensione dell'amplificatore sono hanno valori da 20 a 60 e talvolta anche più.

L'amplificatore di rilevamento della corrente può anche includere nello stesso contenitore un resistore di shunt di corrente. Per applicazioni ad alta potenza, dato che la dissipazione di potenza sviluppa calore, è preferibile un resistore di shunt esterno.

L'architettura più comune della catena di segnali per il monitoraggio del flusso di corrente include un resistore di shunt, un front-end analogico (AFE), un convertitore analogico/digitale e un controller di sistema (Figura 1). Un AFE, come un amplificatore operazionale o un amplificatore di rilevamento della corrente dedicato, converte la bassa tensione differenziale sviluppata attraverso il resistore di shunt in una tensione utilizzabile per l'ADC.

Schema della misurazione del flusso di corrente con un resistore di shunt di corrente

Figura 1: Il modo più facile per misurare il flusso di corrente è quello di usare un resistore di shunt di corrente (a sinistra), nel quale si sviluppa una tensione proporzionale alla corrente che lo attraversa. Un AFE amplifica la bassa tensione nel resistore di shunt per sfruttare l'intero intervallo di misurazione dell'ADC. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Sono due i modi fondamentali per collegare un resistore di shunt in un circuito per misurazioni della corrente high-side e low-side. Entrambi gli approcci presentano vantaggi e svantaggi.

Misurazione della corrente low-side

Il metodo di misurazione della corrente low-side pone il resistore di shunt di corrente tra il carico attivo e la massa. Nella Figura 2 viene illustrato il circuito più appropriato per effettuare misurazioni di corrente low-side. Il circuito utilizza un amplificatore di rilevamento della corrente INA181 di Texas Instruments, sebbene per le misurazioni low-side se ne possano utilizzare anche molti altri.

Schema della misurazione della corrente low-side con INA181 di Texas Instruments

Figura 2: Circuito di misurazione della corrente low-side con l'utilizzo di INA181 di Texas Instruments: il resistore di rilevamento della corrente viene posto tra il carico attivo e la massa. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le misurazioni della corrente low-side sono semplici da implementare, perché la tensione di rilevamento attraverso il resistore di shunt di corrente è riferita alla massa. Questa architettura consente all'amplificatore di rilevamento della corrente di essere un componente in bassa tensione, dato che la tensione rilevata è solo dell'ordine di millivolt sopra il riferimento di massa. In questa architettura, la tensione di rilevamento non è elevata, quindi non è richiesta alcuna reiezione di modo comune. Il metodo di misurazione low-side è quello più semplice e più economico da implementare.

Lo svantaggio della misurazione della corrente low-side è che, a causa della posizione del resistore di shunt, il carico non è più referenziato a massa. Di conseguenza il low-side del carico si trova a diversi millivolt sopra la massa.

L'assenza di un riferimento di massa può diventare un problema in presenza di un cortocircuito tra un carico e la massa. Un cortocircuito di questo tipo può quindi verificarsi, ad esempio, se un carico racchiuso in un guscio di metallo come un motore ha un avvolgimento cortocircuitato rispetto al riferimento di massa. Il resistore di rilevamento della corrente potrebbe non essere in grado di rilevare tale cortocircuito.

Inoltre, per effettuare una misurazione low-side, la tensione di ingresso di modo comune dell'amplificatore deve includere la massa. Questo aspetto normalmente non interessa gli amplificatori che funzionano con alimentazioni positive e negative, ma può essere un problema per quelli ad alimentazione singola. Pertanto, un intervallo di tensione di modo comune che contiene la massa diventa un criterio importante quando si seleziona un amplificatore appropriato per effettuare misurazioni low-side.

Vi è un altro aspetto importante che induce a scegliere misurazioni della corrente con architettura low-side. Va notato che l'ADC ADS114 di Texas Instruments nella Figura 2 viene direttamente riferito alla massa e che il nodo di ingresso low-side dell'ADC si trova vicino al collegamento di riferimento di massa dell'ingresso dell'amplificatore di rilevamento della corrente INA181.

Per il rilevamento della corrente basato sulle basse tensioni sviluppate attraverso resistori di shunt a bassa resistenza che veicolano correnti di carico elevate, è importante ricordare che non tutte le masse potrebbero avere lo stesso potenziale. È piuttosto facile sviluppare millivolt di differenza tra un punto di massa e un altro in un sistema quando le reti di massa o i piani di massa trasportano correnti elevate, come nel caso di molte applicazioni di potenza. In via precauzionale, assicuratevi sempre di tenere collegati tra loro i riferimenti di massa molto vicini per ridurre al minimo le differenze di tensione tra di essi.

Per rimuovere questa fonte di errore, il pin di riferimento di massa dell'ADC deve essere collegato molto vicino al low-side del resistore di rilevamento e all'ingresso low-side dell'amplificatore di rilevamento. Il punto di connessione non può essere una parte qualsiasi, seppur comoda, del piano di massa. Per avere la massima certezza, è bene annotare questo requisito direttamente sullo schema e illustrare una connessione a stella per i riferimenti di massa per evidenziarne il punto.

Analogamente, quando la tensione attraverso il resistore di rilevamento della corrente è piccola, la tensione di offset in ingresso dell'amplificatore di rilevamento della corrente influisce in modo sproporzionato sulla precisione dell'amplificazione. Per questo motivo, è meglio selezionare un amplificatore con una tensione di offset in ingresso molto bassa. L'amplificatore INA181 mostrato nella Figura 2 (sopra) ha una tensione di offset in ingresso di ±150 microvolt per architetture di misurazione low-side dove non è presente tensione di modo comune.

Nonostante qualche svantaggio, l'architettura di misurazione della corrente low-side è una buona scelta se il carico non deve essere riferito a massa e se i cortocircuiti interni tra il carico e la massa non sono un problema o non è necessario che vengano rilevati dal circuito di misurazione della corrente.

Tuttavia, per i progetti che devono soddisfare requisiti di sicurezza funzionale, la tecnica di misurazione della corrente high-side rappresenta la scelta migliore.

Misurazione della corrente high-side

Un sistema di misurazione della corrente high-side prevede l'inserimento di un resistore di shunt di corrente tra la fonte di alimentazione e il carico attivo come mostrato nella Figura 3, utilizzando come AFE l'amplificatore di rilevamento della corrente INA240 di Texas Instruments. La tensione di ingresso di modo comune di questo dispositivo può superare di gran lunga la tensione di alimentazione, il che ne fa una buona scelta per le misurazioni della corrente high-side.

Schema della misurazione della corrente high-side con INA240 di Texas Instruments

Figura 3: Un circuito di misurazione della corrente high-side prevede l'installazione di un resistore di rilevamento della corrente tra la fonte di alimentazione e il carico attivo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le misurazioni della corrente high-side offrono due vantaggi importanti rispetto alle misurazioni low-side. Anzitutto, è facile rilevare un cortocircuito tra carico e massa perché la corrente di cortocircuito risultante fluirà attraverso il resistore di shunt di corrente, sviluppandovi una tensione. In secondo luogo, questa tecnica di misurazione non è riferita a massa, quindi tensioni differenziali di massa derivanti da correnti elevate che attraversano il piano di massa non influenzeranno la misurazione. Tuttavia, è sempre consigliabile posizionare con attenzione il collegamento di riferimento di massa dell'ADC vicino alla massa dell'amplificatore.

La tecnica di misurazione della corrente high-side presenta anche uno svantaggio non trascurabile. Come detto sopra, richiede che l'amplificatore di rilevamento della corrente abbia un alto livello di reiezione di modo comune perché la bassa tensione sviluppata attraverso lo shunt di corrente si situa appena sotto la tensione di alimentazione del carico. A seconda dello schema del sistema, questa tensione di modo comune può essere piuttosto grande. L'amplificatore di rilevamento della corrente INA240 nella Figura 3 ha un ampio intervallo di modo comune che va da -4 a 80 V.

Resistori di guadagno: integrati o indipendenti?

Le Figure 2 e 3 illustrano architetture di misurazione della corrente low-side e high-side, che impiegano entrambe amplificatori di rilevamento della corrente con resistori integrati di impostazione del guadagno. I resistori integrati offrono numerosi vantaggi di progettazione, tra cui la semplificazione, la riduzione dei componenti sulla scheda e la precisione del guadagno tarata a laser. Questi amplificatori hanno però il grande svantaggio di un guadagno impostato in modo permanente in fabbrica. Il problema non si pone se l'impostazione del guadagno è appropriata per una determinata applicazione. Ma se l'applicazione richiede un guadagno specifico perché il valore del resistore di shunt è stato selezionato per soddisfare altri criteri, è preferibile scegliere un amplificatore operazionale abbinato a resistori discreti.

La Figura 4 mostra un circuito dell'amplificatore di rilevamento della corrente per misurare la corrente high-side basato su un amplificatore operazionale MCP6H01 di Microchip Technology e su resistori discreti per l'impostazione del guadagno.

Schema dell'architettura di misurazione della corrente high-side con resistori discreti e un amplificatore operazionale

Figure 4: Architettura di misurazione della corrente high-side con resistori discreti e un amplificatore operazionale. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

In questo circuito, il guadagno dell'amplificatore è determinato dal rapporto di R2 diviso per R1. Tenere inoltre presente l'equivalenza dei rami resistivi, R1* = R1, R2* = R2, e che il resistore di shunt di corrente RSEN dovrebbe essere di gran lunga più piccolo sia di R1 sia di R2. In linea di massima questo non è un problema, perché il valore del resistore di shunt di corrente è in genere di pochi milliohm o addirittura di frazioni di milliohm per applicazioni con correnti molto elevate.

Dalle equazioni della Figura 4 si evince chiaramente che l'uso di un amplificatore operazionale e di resistori discreti richiede la specifica di un numero leggermente superiore di componenti rispetto all'architettura con amplificatori di rilevamento della corrente con resistori interni per l'impostazione del guadagno.

Conclusione

Gli amplificatori per rilevamento della corrente trasformano le basse tensioni sviluppate attraverso i resistori di shunt in tensioni più elevate, più idonee per la conversione ADC. Esistono due tipi di misurazione di rilevamento della corrente: low-side e high-side. Le misurazioni low-side prevedono il resistore di rilevamento della corrente tra il carico e la massa, mentre quelle high-side richiedono che sia installato tra l'alimentazione e il carico. Sia le architetture di misurazione low-side sia quelle high-side presentano vantaggi e svantaggi, pertanto la scelta deve essere fatta tenendo conto dell'applicazione cui sono destinate.

Quando si misura la corrente, è possibile utilizzare un amplificatore di rilevamento della corrente apposito con il guadagno impostato in fabbrica e resistori integrati incisi a laser o un amplificatore operazionale e resistori discreti appropriati. La prima scelta riduce il numero di componenti della scheda e semplifica la progettazione dell'AFE. Se però il progetto dell'AFE richiede un guadagno personalizzato per rispondere a uno specifico valore del resistore di shunt e a uno specifico intervallo della tensione di ingresso ADC, la seconda scelta è più appropriata.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Steve Leibson

Steve Leibson è stato System Engineer per HP e Cadnetix, Editor in Chief per EDN e Microprocessor Report, blogger tecnologico per Xilinx e Cadence (solo per citarne alcuni), e ha collaborato come esperto di tecnologia in due episodi di "The Next Wave with Leonard Nimoy". Da 33 anni collabora con molti progettisti allo sviluppo di sistemi migliori, più veloci e più affidabili.

Informazioni su questo editore

Editori nordamericani di Digi-Key