I resistori di rilevamento della corrente consentono di misurare e gestire con precisione la potenza

La richiesta continua di una maggiore efficienza e di una migliore gestione dell'alimentazione richiede una misurazione accurata della corrente. Questa esigenza riguarda diverse applicazioni industriali e consumer e l'elettronica di potenza, compresi i sistemi di gestione delle batterie (BMS), gli alimentatori a commutazione (SMPS) e i comandi motore.

Sebbene esistano diversi modi per misurare la corrente e quindi determinare la potenza, l'impiego di un resistore di rilevamento della corrente (spesso chiamato resistore di shunt) e di un amplificatore differenziale è una delle soluzioni più appropriate dal punto di vista sia tecnico che economico.

Un resistore di questo tipo è molto più di un "altro semplice resistore" con il valore desiderato. Per un rilevamento accurato, deve avere un'elevata precisione assoluta, offrire prestazioni di dissipazione superiori per garantire l'affidabilità, essere stabile a fronte di variazioni di temperatura nonostante l'autoriscaldamento e le variazioni della temperatura ambiente e avere effetti termoelettrici di contatto minimi.

Per dimensionare il resistore di rilevamento, si determina innanzitutto un valore di resistenza adeguato assumendo una caduta di tensione massima accettabile (V = IR) attraverso di esso quando è a pieno carico. Un buon punto di partenza è un massimo nominale di circa 100 mV, che spesso rappresenta un compromesso accettabile tra fattori quali la gamma dinamica, la sensibilità, il rumore, l'impedimento al flusso di corrente e lo spreco di energia dovuto alla dissipazione.

Quindi, si prende in esame la corrente massima che attraversa il resistore per calcolare il suo valore massimo, dove R = V/I. In molti casi si tratta di 1 mΩ al massimo. Utilizzando il valore del resistore selezionato e la corrente massima, è possibile calcolare il valore di dissipazione richiesto per il resistore utilizzando la formula I²R.

La topologia di connessione è fondamentale

Altrettanto importante è la disposizione fisica del sensore, che deve ridurre al minimo gli errori di misurazione della tensione. A causa del valore di resistenza estremamente basso e della bassa caduta di tensione, i particolari come la resistenza di contatto tra le connessioni di corrente, i fili del sensore e il resistore di rilevamento diventano fattori importanti.

Nella configurazione di base a due fili per il rilevamento della tensione, i punti di contatto sul resistore per il percorso del flusso di corrente presente e il collegamento della tensione al resistore sono gli stessi (Figura 1, a sinistra).

Figura 1: Il rilevamento a due fili (a sinistra) e il rilevamento Kelvin a quattro fili (a destra) presentano una piccola ma significativa differenza nel collegamento fisico dei punti di contatto della corrente e della tensione: quest'ultimo riduce al minimo gli errori dovuti alle perdite nei conduttori. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia, modificata dall'autore)

Tuttavia, la semplice disposizione a due fili può compromettere l'accuratezza della misurazione attraverso il resistore ai bassi livelli di tensione. Per superare gli errori relativamente piccoli ma significativi indotti dalle connessioni di rilevamento a due fili, in genere si utilizza un sistema di rilevamento Kelvin a quattro fili (Figura 1, a destra).

In questa topologia, il flusso di corrente e le connessioni di rilevamento della tensione sono punti di contatto indipendenti. Anche se gli schemi dei collegamenti elettrici sembrano uguali, le implementazioni fisiche sono molto diverse.

Separando i contatti e il percorso del flusso di corrente dai punti di rilevamento della tensione, il rilevamento a quattro fili garantisce che una caduta di tensione tra i conduttori e i contatti del flusso di corrente non influisca sulla precisione della misurazione. Ciò è particolarmente problematico quando si effettuano letture di precisione in cui il valore della resistenza di rilevamento è all'incirca uguale a quello dei conduttori utilizzati per la misurazione.

Il rilevamento a quattro fili minimizza notevolmente questo problema spostando i punti di misura della tensione immediatamente adiacenti all'impedenza target, bypassando così qualsiasi caduta di tensione che potrebbe verificarsi nel percorso ad alta corrente.

È importante anche scegliere la giusta tecnologia dei resistori

Oltre ad avere un basso valore di resistenza, pari o inferiore a 1 mΩ, il resistore di rilevamento deve avere un basso coefficiente termico della resistenza (TCR) per evitare la deriva causata dalle variazioni della temperatura ambiente e dall'autoriscaldamento indotto da I²R. Di conseguenza, la progettazione, i materiali e la fabbricazione di questi resistori sono processi altamente specializzati.

I resistori di shunt a nastro metallico serie CSI di Bourns, Inc. aiutano i progettisti a soddisfare questi requisiti. I componenti di questa famiglia sono disponibili in un'ampia gamma di combinazioni di valori di resistenza a partire da 0,2 mΩ e di valori di potenza dissipata fino a 15 W (continui).

I resistori sono realizzati con materiale resistivo saldato a fascio di elettroni (EBW) e lega di rame e sono disponibili nelle opzioni a due e quattro terminali. I modelli a due terminali sono disponibili in tre formati di ingombro: 5930, 3920 e 2512. I dispositivi a quattro terminali sono destinati alla misurazione della resistenza Kelvin a quattro fili, più precisa, e sono offerti nell'ingombro 4026.

L'esclusivo elemento di rilevamento della corrente in lega metallica è stato progettato espressamente per l'uso di resistori di shunt, con una bassa forza elettromotrice termoelettrica (f.e.m.) e TCR fino a ±50 ppm/°C nell'intervallo di temperatura compreso tra +20 °C e +60 °C.

Si noti che per fabbricare questi resistori vengono utilizzate alcune intuizioni controintuitive della scienza dei materiali. Di solito non si vuole il rame ad alto TCR (circa 3900 ppm/°C) in un componente a basso TCR. Tuttavia, il rame ha anche un'eccellente conducibilità termica, quindi viene accuratamente integrato nel design del resistore per aumentarne le prestazioni di gestione della potenza.

Un esempio tipico di un resistore a due fili della serie CSI è il modello CSI2H-2512R-1L00J (Figura 2), da 1 mΩ, 5 W con una tolleranza di ±5% e un TCR di ±75 ppm/°C. Sono disponibili altre versioni con una tolleranza più stretta, pari a ±2% e persino dell'1%.

Figura 2: CSI2H-2512R-1L00J è un resistore da 1 mΩ e 5 W destinato al rilevamento a due fili. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Questo resistore è realizzato con il materiale di tipo R di Bourns e presenta un'induttanza propria estremamente bassa, inferiore a 2 nH. L'autoinduttanza è un parametro essenziale, ma spesso trascurato, che può essere problematico se il resistore si trova in un circuito di commutazione ad alta velocità.

Per il rilevamento Kelvin a quattro fili, il resistore di rilevamento della corrente CSI4J-4026R-1L00F è un componente da 1 mΩ con una potenza nominale di 8 W (Figura 3). Questo resistore a ±1% (disponibile anche nelle versioni a 2% e a 5%) ha un TCR di ±75 ppm/°C. L'induttanza propria è inferiore a 3 nH. Notare la diversa configurazione dei contatti, progettata per consentire la funzionalità a quattro fili.

Figura 3: Con i suoi punti di connessione divisi aggiuntivi, CSI4J-4026R-1L00F da 1 mΩ è progettato esplicitamente per il rilevamento della corrente Kelvin a quattro fili. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

A causa dell'impatto del TCR sull'accuratezza del resistore di rilevamento, le schede tecniche di questi componenti includono diversi grafici che mostrano la variazione della resistenza rispetto alle prestazioni a 25 °C.

Conclusione

I resistori di rilevamento possono sembrare componenti semplici, ma bisogna andare più a fondo. Considerato ciò che devono fare e fornire nella loro nicchia di applicazione, scoprirete che hanno particolarità e implicazioni che possono essere soddisfatte solo da un fornitore con esperienza, competenza nei materiali e know-how nella fabbricazione, il tutto supportato da una scheda tecnica dettagliata.

Riferimento

1: Maxim/Analog Devices, nota applicativa 5761, "Lord Kelvin’s Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers"