Nozioni di base sulla misurazione della corrente: Parte 1 – Resistori di rilevamento corrente

Nota dell'editore: Questa serie in due parti prende in esame gli aspetti più delicati inerenti il rilevamento della corrente. La Parte 1 (questa) tratta dell'impostazione generale, della selezione e dell'implementazione di un resistore di rilevamento della corrente. La Parte 2 tratterà dei circuiti associati come il front-end analogico (AFE) critico e l'amplificatore strumentale.

Nozioni di base sulla misurazione della corrente

Il flusso di corrente è uno dei parametri più comuni utilizzati per valutare, controllare e diagnosticare l'efficacia operativa dei sistemi elettronici. Poiché è una misura così comune, i progettisti spesso incappano in problemi se sottovalutano gli aspetti più delicati della misurazione della corrente accurata.

L'elemento di rilevamento più comune utilizzato per rilevare il flusso di corrente è un resistore di precisione a basso valore ohmico inserito nel percorso della corrente. Questo resistore, chiamato solitamente shunt, sviluppa una tensione che è proporzionale alla corrente che lo attraversa. Poiché il resistore di shunt non dovrebbe influenzare in modo significativo il flusso di corrente, spesso è caratterizzato da un valore ohmico molto basso, dell'ordine di milliohm o frazioni di un milliohm. Di conseguenza, anche la tensione sviluppata attraverso il resistore di shunt è bassa e spesso deve essere amplificata prima di venire convertita da un ADC.

Pertanto, una configurazione comune della catena di segnali per il monitoraggio della corrente prevede un front-end analogico per amplificare la tensione sviluppata nel resistore di shunt, un ADC per convertire la tensione amplificata in una rappresentazione digitale e un controller di sistema (Figura 1).

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)

Un AFE, solitamente implementato con un amplificatore operazionale o un amplificatore di rilevamento della corrente dedicato, converte la bassa tensione differenziale sviluppata nel resistore di shunt in una tensione di uscita più elevata che utilizza una parte maggiore dell'intervallo di misurazione dell'ADC. L'ADC, che può essere un dispositivo autonomo o un blocco su chip all'interno di un microcontroller o di un system-on-chip (SoC), digitalizza il segnale della tensione e fornisce le informazioni risultanti al processore di controllo. Il controller di sistema utilizza la misurazione digitalizzata del flusso di corrente per ottimizzare le prestazioni del sistema o per implementare protocolli di sicurezza al fine di evitare danni al sistema nel caso in cui il flusso di corrente superi il limite preimpostato.

Al pari della componente sensore nella catena utilizzata per convertire la corrente in tensione, anche le caratteristiche fisiche del resistore (resistenza, tolleranza, capacità di potenza, coefficiente termico e f.e.m. termica) incidono sull'accuratezza. Di conseguenza, per ottimizzare la misurazione della corrente è fondamentale scegliere il resistore di shunt corretto.

Il valore della resistenza di shunt e la tensione corrispondente sviluppata attraverso di esso possono creare delle perturbazioni nel sistema. Ad esempio, un resistore di shunt con una resistenza troppo elevata può ridurre la tensione disponibile per pilotare il carico e sprecare potenza.

Quando si misura la corrente alimentata all'avvolgimento di un motore, se la tensione viene ridotta diminuisce la potenza elettrica a disposizione del motore, influenzandone l'efficienza e/o la coppia. Inoltre, se le correnti che attraversano il resistore di shunt sono elevate (dell'ordine di decine o centinaia di ampere), il resistore dissiperà una notevole quantità di energia sotto forma di calore, rendendo la misurazione sia meno accurata che meno efficiente. Per questi motivi, il resistore di shunt dovrebbe avere una resistenza minima.

Scelta di un resistore di shunt per misurare la corrente

Dato che i resistori di shunt dissipano potenza conseguentemente alla corrente di carico che li attraversa, devono avere valori di resistenza molto bassi. Inoltre, per la stabilità della misurazione, i resistori di rilevamento della corrente dovrebbero avere anche un coefficiente termico di resistenza (TCR) molto basso. Un TCR basso porterà a un'elevata precisione di misurazione con una limitata dipendenza dalla temperatura.

Un altro parametro importante è la f.e.m. termica del resistore di rilevamento della corrente. I resistori di shunt di corrente devono funzionare su un ampio intervallo di correnti. Quando la corrente è bassa, ad esempio in un'applicazione alimentata a batteria durante la modalità di sospensione o standby, la f.e.m. termica dello shunt aggiunge una tensione di errore misurabile alla tensione generata dalla corrente che attraversa il resistore. Questa tensione di errore dovrebbe essere molto inferiore alla tensione minima prevista generata dalla corrente interessata che attraversa il resistore di shunt, riducendo al minimo l'errore di misurazione.

I resistori di shunt per applicazioni di rilevamento della corrente sono disponibili con due o quattro terminali. Quello più semplice da capire è il resistore di shunt con due terminali perché funziona come qualsiasi resistore a due terminali. Il passaggio di una corrente attraverso il resistore di shunt a due terminali sviluppa una tensione ai suoi terminali che è proporzionale alla corrente che lo attraversa.

Tra i resistori di shunt a due terminali troviamo la serie CSS2 di Bourns e la serie WSLP di Vishay. La serie Bourns CSS2 include resistori di shunt con potenze nominali tra 2 e 15 W, resistenze tra 0,2 e 5 mΩ e correnti nominali massime tra 140 e 273 A. Un tipico dispositivo della serie CSS2H-2512R-L500F è disponibile in un contenitore a montaggio superficiale 2512 con una resistenza di 0,5 mΩ e una potenza nominale di 6 W.

La famiglia di resistori di shunt WSLP di Vishay include dispositivi in diversi modelli di contenitori a montaggio superficiale con ingombro tra 0603 e 2512 con potenze nominali tra 0,4 e 3 W, resistenze tra 0,5 mΩ e 0,1 Ω e tolleranze di resistenza dello 0,5 o 1%. Un tipico resistore di shunt di corrente di Vishay è WSLP1206R0150FEA, fornito in un contenitore 1206 con una resistenza di 15 mΩ, una tolleranza dell'1% e una potenza nominale di 1 W.

Tenere presente che questi dispositivi con tecnologia di montaggio superficiale (SMT) hanno dimensioni ridotte e occupano pochissimo spazio sulla scheda, ma non potendo dissipare grandi quantità di calore dovrebbero essere collocati molto lontano da componenti sensibili al calore.

Tre resistenze in un resistore di shunt

Malgrado le apparenze, i resistori di shunt di corrente non sono però così semplici come sembrano. In particolare, la resistenza di un resistore di shunt di fatto è composta da tre resistenze (Figura 2). Innanzitutto, vi è la resistenza del resistore di shunt stesso. Poi ci sono le resistenze dei conduttori del resistore e di quelli sulla relativa scheda a circuiti stampati. Di solito le resistenze di questi conduttori sono insignificanti, ma i resistori di shunt di corrente hanno in genere valori ohmici molto bassi. Nelle misurazioni di correnti elevate, anche piccole resistenze dei conduttori causano errori di misurazione perché non rientrano nelle specifiche di resistenza del produttore del resistore di shunt.

Figura 2: Un resistore di shunt di corrente a due terminali ha tre resistenze in serie: la sua stessa resistenza, quella dei suoi due conduttori e la resistenza dei conduttori o delle tracce sulla scheda su cui è collegato il resistore (non in figura). Nelle misurazioni di correnti elevate, le resistenze dei conduttori possono causare errori di misurazione. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Un modo per evitare gli errori di misurazione causati dalle resistenze estranee derivanti dai conduttori è quello di creare una connessione Kelvin realizzando tracce di rilevamento separate verso il resistore di shunt a due terminali (Figura 3).

Figura 3: Una connessione Kelvin con un resistore di rilevamento della corrente a due terminali riduce l'errore di misurazione causato dalle resistenze dei conduttori del resistore e di quelli della scheda. A destra, immagini di esempio di resistori di shunt di corrente a due terminali. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

In questa configurazione, tracce di grandi dimensioni sulla scheda portano la corrente dentro e fuori dal resistore di shunt di corrente. Tracce molto più piccole che non si trovano nel flusso di corrente principale ma sono posizionate il più vicino possibile all'elemento di resistenza del resistore di shunt, prelevano la tensione che attraversa il resistore e la trasmettono all'AFE. La connessione Kelvin si ottiene separando i terminali che trasportano la corrente da quelli di rilevamento.

La rappresentazione schematica che risulta da una connessione Kelvin usando un resistore di shunt a due terminali è mostrata nella Figura 4.

Figura 4: Utilizzando una connessione Kelvin con un resistore di shunt a due terminali, le linee di rilevamento della tensione vengono separate dal percorso della corrente principale; ne consegue una misurazione della tensione attraverso il resistore di shunt più accurata. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Le due resistenze di rilevamento mostrate in Figura 4 sono attraversate da pochissima corrente perché sono collegate agli ingressi ad alta impedenza di un amplificatore o di un ADC. Di conseguenza, la resistenza dell'amplificatore o dell'ADC è molto meno importante di quella dei conduttori che trasportano correnti elevate dentro e fuori dal resistore di shunt. Pertanto, le cadute di tensione nelle resistenze di rilevamento sono piuttosto ridotte e non rappresentano una fonte significativa di errore per la misurazione della corrente.

Due terminali o quattro?

Come si può vedere nello schema di layout della scheda della Figura 3, non è possibile eliminare completamente le resistenze dei conduttori in un resistore di shunt a due terminali nemmeno utilizzando una connessione Kelvin. Il layout della piazzola deve avere una certa tolleranza per far fronte all'errore di posizionamento quando il resistore di shunt viene piazzato e saldato sul circuito stampato.

Inoltre, il TCR delle tracce di rame della scheda (3900 ppm/°C) è molto più alto del TCR dell'elemento resistivo del resistore di shunt (spesso inferiore a 50 ppm/°C). Queste differenze parametriche fanno sì che la variazione della resistenza nelle tracce del circuito stampato sia molto più significativa di quella del resistore di rilevamento della corrente, per cui il circuito di rilevamento finisce per dipendere fortemente dalla temperatura.

Quando si utilizza un resistore di shunt a due terminali con una connessione Kelvin, il livello di precisione potrebbe non essere adeguato per molte applicazioni di rilevamento della corrente in cui entrano in gioco correnti molto elevate. Per queste applicazioni, i produttori offrono resistori di shunt con quattro terminali che implementano la connessione Kelvin all'interno del resistore. Con questa tecnologia, il produttore può controllare completamente tutte le tolleranze e i coefficienti di temperatura che interessano la connessione Kelvin (Figura 5).

Figura 5: Resistore di shunt a quattro terminali con implementata una connessione Kelvin ad alta precisione e connessioni di rilevamento poste molto vicino al resistore di shunt. A destra, un'immagine di esempio di un resistore di shunt di corrente a quattro terminali. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Un resistore di rilevamento della corrente a quattro terminali che utilizza una connessione Kelvin ha terminazioni separate per il flusso di corrente elevata che attraversa il resistore e per la misurazione della tensione, cosa che contribuisce a migliorare la precisione della misurazione. Inoltre, l'uso di un resistore di shunt a quattro terminali con una connessione Kelvin incorporata riduce gli effetti del TCR fornendo una stabilità in temperatura migliore rispetto a un resistore di shunt a due terminali che utilizza il layout di un circuito stampato per implementare la connessione Kelvin.

Bourns offre diversi resistori di shunt a quattro terminali nella sua serie CSS4 di dispositivi a montaggio superficiale (Figura 6).

Figura 6: I resistori di shunt CSS4 di Bourns utilizzano una connessione Kelvin a quattro terminali per massimizzare la precisione di misurazione della corrente. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Fra i componenti caratteristici della serie CSS4 di Bourns vi sono i resistori di shunt CSS4J-4026R-L500F con tolleranza di resistenza dell'1%, 5 W, 0,5 mΩ e i CSS4J-4026K-2L00F con tolleranza di resistenza dell'1%, 4 W, 2 mΩ. Entrambi questi dispositivi presentano un basso TCR, una bassa f.e.m. termica e un ingombro fisico inferiore a 10 x 7 mm.

Conclusione

Il primo passo per misurare il flusso di corrente è convertire la corrente elettrica in un parametro di tensione che sia più facile da misurare. Questo compito viene svolto dai resistori di shunt di corrente, che sono componenti poco costosi. Come mostrato però, per ridurre al minimo sia l'impatto sul circuito che la dissipazione di potenza nel resistore stesso, quest'ultimo dovrebbe avere un valore ohmico basso.

Altri parametri significativi per i resistori di shunt di corrente includono TCR e f.e.m. termica, che possono entrambi influenzare notevolmente la precisione di misurazione della corrente.

Infine, per incrementare al massimo la precisione di misurazione, è fondamentale tenere fuori dal percorso di rilevamento la corrente elevata che attraversa il resistore. A tale fine viene utilizzato uno speciale layout del circuito stampato che crea una connessione Kelvin per un resistore a due terminali, oppure è possibile impiegare un resistore di rilevamento della corrente a quattro terminali.

Dato che un valore di resistenza basso significa che la tensione sviluppata nel resistore di rilevamento della corrente sarà bassa, la Parte 2 di questa serie di articoli tratterà della progettazione di un AFE che amplifica la bassa tensione in una più elevata, così che un ADC possa misurarla più facilmente.

Riferimenti:

1. Pini, A. (2018). Select and Apply Current Sense Amplifiers Effectively to Better Manage Power. Biblioteca articoli DigiKey.