Когда перед разработчиками встает задача измерения тока, как правило, в первую очередь они рассматривают возможность использования специальных резисторов, разработанных для подобных задач. Однако иногда возникает соблазн попытаться измерить ток с помощью дорожки печатной платы.
Токоизмерительные резисторы необходимы для точного измерения тока в нагрузке. Эти резисторы подключаются последовательно с нагрузкой, и на них падает напряжение, пропорциональное току, протекающему через резистор. В сильноточных приложениях эти резисторы могут стать большими и рассеивать значительную мощность в виде тепла. В таких условиях решением проблемы может стать использование существующих медных дорожек на печатной плате.
Существуют и другие трудности при использовании медной дорожки в качестве токоизмерительного резистора. Прежде всего, сопротивление меди очень низкое, а это значит, что либо напряжение сигнала будет настолько мало, что потребует относительно сложного усиления, либо длина резистора может увеличить стоимость из-за требуемой площади печатной платы. Область использования этого метода также ограничена требуемыми допустимыми отклонениями сопротивления. Хотя узкий резистор уменьшит длину, а значит, и площадь, допуски на травление печатных плат обычно требуют минимальной ширины от 0.38 до 0.635 мм.
Еще одной сложностью является температурный коэффициент меди +0.39%/°C, означающий, что падение напряжения для данного тока увеличится на 20% при повышении температуры на 50 °C. Также обратите внимание, что отклонения размеров напрямую влияют на величину сопротивления. Контроль краев в процессе травления печатной платы обычно определяет минимально допустимую ширину.
Точное измерение тока в медной дорожке печатной платы
Способ решения проблемы температурного коэффициента, который будет здесь обсуждаться, заимствован из методов проектирования схем на кристалле, в котором для задания коэффициента усиления схемы используются соотношения геометрических размеров, а не их абсолютные значения. Но даже этот метод не лишен трудностей, поскольку падения напряжения будут чрезвычайно низкими, часто ниже 10 мВ. К счастью, современные операционные усилители с нулевым дрейфом (с автоматической коррекцией нуля или со стабилизацией прерыванием) обеспечивают готовое решение проблемы низкого падения напряжения. Как мы увидим, остаются некоторые ограничения в достижении начальной точности, хотя после калибровки этот метод может быть очень точным.
Идея здесь в том, чтобы создать два резистора с заданными соотношениями геометрических размеров, которые будут определять наш коэффициент усиления. Например, рассмотрим путь прохождения большого тока (который назовем RSHUNT) со следующими (нормализованными) размерами: длина (L) = 1, ширина (W) = 10. Для элемента, определяющего усиление (который будет называться RG) создадим другой шаблон: L = 10 и W = 1. Это дает соотношение размеров, а следовательно, и сопротивлений, 100:1. Поскольку резистор, определяющий усиление, предназначен для температурной компенсации сильноточного пути RSHUNT, он должен быть расположен симметрично и в непосредственной близости от элемента RSHUNT.
Базовая схема, которая использовалась для первоначальной проверки концепции, показана на упрощенной схеме (Рисунок 1). Операционный усилитель управляет MOSFET, который обеспечивает необходимый ток обратной связи через резистор, определяющий усиление, а также выходное напряжение, пропорциональное измеренному току. Это базовая схема, предназначенная для измерения «в нижнем плече», где один вывод токоизмерительного резистора заземлен, а выход усилителя привязан к земле.
 |
|
| Рисунок 1. | Базовая схема измерения тока на стороне нижней шины питания с измерительным резистором на основе медной дорожки печатной платы с температурной компенсацией. |
Обратите внимание, что для этой схемы требуется операционный усилитель с чрезвычайно низким входным смещением, например, таким, которое обеспечивают усилители с нулевым дрейфом.
Заметьте также, что в упрощенной схеме ток через R3 и RG всегда является функцией входного тока и соотношения сопротивлений резисторов RSHUNT и RG. От фактических значений сопротивлений RSHUNT и RG требуется только то, чтобы ток IT1 транзистора T1, определяемый их суммой, находился в допустимых пределах. Соотношение сопротивлений RSHUNT и RG может быть определено из выражения:
 |
|
| Рисунок 2. | Вот как выглядит общий чертеж предполагаемых дорожек токоизмерительного резистора и резистора, определяющего усиление. |
Этот ток устанавливает соотношение, при котором выходной ток представляет собой часть входного тока IIN, пропорциональную соотношению геометрических размеров. Падение напряжения на резисторе R3 используется в качестве выходного сигнала и может изменяться для регулировки усиления до любого желаемого значения. Пример разводки печатной платы с изображением RSHUNT и RG показан в схеме измерения тока нижнего плеча на Рисунке 2 и Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Крупный план тестовой платы с монетой в четверть доллара позволяет оценить фактический размер. Дорожка от TP6 до TP7 – это токоизмерительный резистор RSHUNT, а дорожка от TP6 до TP8 – медный резистор RG, определяющий коэффициент усиления. Часть, закрытая монетой, является неиспользуемым дубликатом схемы. |
На Рисунке 2 изображен концептуальный эскиз, показывающий способ согласования соотношения сопротивлений резисторов на основе медных дорожек печатной платы для минимизации начальных ошибок и компенсации влияния температуры. Взаимное расположение резисторов основано на встречно-гребенчатой структуре.
Реализация измерения тока со стороны шины питания
Версия с измерением тока со стороны верхней шины может быть построена на основе хорошо известной схемы «датчика тока с усилителем тока», показанной на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема на основе датчика с усилителем тока иллюстрирует измерение тока на стороне верхней шины. |
Схема усиления тока легко адаптируется к методу температурной компенсации сопротивления дорожек, где RCuSHUNT и RCuGAIN1 являются дорожками печатной платы. Z1 – это параллельный регулятор напряжения питания операционного усилителя. Диод D1 защищает вход операционного усилителя в случае короткого замыкания нагрузки.
Рассмотрение возможности использования специального токоизмерительного элемента
Реализовав измерение тока на дорожках печатной платы, вы вскоре поймете, почему люди изобрели резисторы. Для точного датчика на основе дорожек печатной платы заведомо потребуется значительно больше места, чем для резистора.
Имейте в виду, что наилучшие смещения усилителей составляют порядка 5-10 мкВ, а приличная точность достигается при полной шкале падений напряжения на измерительном элементе на порядок выше этого значения. Если учесть все соображения, то окажется, что выбор физически наименьшего решения будет в пользу специального токоизмерительного резистора.
На Рисунке 5 показан пример, иллюстрирующий простоту использования специализированных резисторов и токоизмерительных усилителей. Резистор обеспечивает прецизионное сопротивление и низкий температурный коэффициент. Современные токоизмерительные усилители с нулевым дрейфом позволяют уменьшить падения напряжения на резисторе, что повышает КПД и часто позволяет использовать измерительные резисторы физически меньшего размера благодаря снижению рассеиваемой резистором мощности. Реализация как однонаправленных, так и двунаправленных схем становится сравнительно простой.
 |
|
| Рисунок 5. | В специальной схеме измерения тока используется токоизмерительный усилитель. |
