• LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • PARTNERLOGIN

ElektronikFOKUS

Fokus på elektronik

  • Branchenyt
  • Design & udvikling
  • Events
  • IoT & embedded
  • Komponenter & konnektorer
  • Power
  • Produktion
  • Test & mål
  • Wireless & data
  • Artikler fra Aktuel Elektronik

Artikler fra Aktuel Elektronik04. 03. 2025 | Pia Nielsen

Printbaner kan være fine strømfølere, men …

Artikler fra Aktuel Elektronik04. 03. 2025 By Pia Nielsen

Til strømføling på kredsløb er dedikerede modstande typisk designerens førstevalg. Men nu og da opstår fristelsen til at anvende lederbanerne i printet til strømsensorfunktionen. Det er muligt, men der er en grund til, at vi ingeniører har udviklet shunt-modstanden til måling af strøm

Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 3 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)

Af Jerry Steele, Microchip Technology

Modstande til føling/måling af strøm – typisk kaldet ”shunts” – bruges ofte til en præcis måling af strømmen i en belastning. Shunt-modstande er placeret i serie med belastningerne, og de giver en spænding proportionalt med den strøm, der løber igennem shunten. I applikationer med høje strømme kan disse modstande blive meget store, og der vil blive afsat en del effekt i form af varme. Med dét i tankerne er det fristende, hvis en eksisterende kobberbane på et print kunne udgøre en løsning. Problemerne ved at anvende en kobberbane på printet er den modstandstemperaturkoefficient på +0,39%/°C, som medfører en lav præcision over temperaturen.
Der er flere vanskeligheder ved at bruge en lederbane som shunt, primært det, at modstanden af kobberet er ekstremt lav, hvorved den målte spænding bliver så lav, at en efterfølgende signalforstærkning er påkrævet – og udfordrende – eller at længden af shunt-lederbanen fordyrer løsningen, fordi printarealet skal gøres større. Arealet bliver også påvirket af de nødvendige modstandstolerancer. Hvor smalle lederbaner ville reducere den nødvendige længde og minimere arealet, så dikterer ætsningstolerancerne normalt en minimum lederbanebredde mellem 0,38mm og 0,64mm. Dertil kommer den nævnte koefficient på +0,39%/°C, hvad der vil medføre et fald i den målte strøm med omtrent 20 procent ved en 50°C temperaturstigning. Tolerancerne i dimensioneringen påvirker også modstandsværdien. Ætseprocessen for printet definerer typisk den minimalt acceptable lederbanebredde.

Genvej til præcis strømføling med lederbaner
Der er dog en genvej til løsning af det nævnte temperaturkoefficientproblem, som designere af on-chip kredsløb kender til, og som de løser gennem geometriske forholdstal, der definerer et kredsløbs gain i stedet for at fokusere alene på absolutte værdier. Selv om metoden ikke er uden vanskeligheder på grund af de meget lave spændingsfald – som regel under 10mV – så kan moderne op-amps med nul-afdrift (auto-zero eller chopper) være en umiddelbar løsning på problemet med de lave spændingsfald. Der vil være begrænsninger i forhold til at opnå den indledende præcision, men med kalibrering kan metoden være særdeles præcis.
Idéen er at danne to modstande med et geometrisk forhold, der definerer det ønskede gain. Hvis vi nu forestiller os en sti til en høj strøm (kaldet RSHUNT) med de følgende (normaliserede) dimensioner, længden (L) =1 og bredden (W) =10. For gain-indstillingskomponenten (kaldet RG) danner vi en anden sti med L=10 og W=1. Det giver et dimensioneret modstandsforhold på 100:1. Da gain-modstanden har til formål at temperaturkompensere den høje strøm i RSHUNT-stien, skal komponenten placeres symmetrisk og tæt på RSHUNT-komponenten. Figur 2 viser koncepttegningen bag matching af forholdet mellem en kobberlederbane og en gain-indstillingsmodstand på lederbanen, der skal minimere de indledende fejl, samt fejl som følge af temperaturen. Layout af modstandene bruger forholdet til den indbyrdes beregning.
Et grundlæggende kredsløb til test af konceptet er illustreret i det forenklede diagram i figur 1. Op-amp’en driver en MOSFET, der forsyner feedback-strømmen, som kræves af gain-modstanden. Den leverer et spændings-output proportionalt med den målte strøm. Det er et grundlæggende kredsløb designet til ”low-side føling”, hvor den ene terminal i strøm-shunten er jordet, og forstærkerens output har reference til jord. Læg mærke til, at kredsløbet kræver en op-amp med en udtalt lav offset på input, som det typisk er tilfældet i nul-afdrifts forstærkere (Microchips MCP6V76-serie er nul-afdrift forstærkere med maksimalt 25µV input-offset).Læg også mærke til, at i det forenklede diagram er strømmen gennem R3 og RG altid en funktion af input-strømmen og forholdet mellem RSHUNT– og RG -modstandene. De faktiske værdier af RSHUNT og RG er kun nødvendige, hvis man skal udregne den samlede strøm for at konstatere, om den er inden for grænserne for MOSFET’en T1. Forholdet mellem RSHUNT og RG kan udregnes fra:


Denne strøm sætter et forhold, hvor output-strømmen er en brøkdel af input-strømmen proportionalt med den geometriske relation. Spændingen over R3 bliver brugt som output og kan varieres, så gain kan tilpasses enhver ønsket værdi. Et eksempel på et kredsløb, der beskriver RSHUNT og RG, er vist med sit low-side strømfølerkredsløb i figur 2 og figur 3.

Målingen af ydelsen
Kredsløbet i figur 1 er implementeret til føling på low-siden for at demonstrere kompensationen i kobberlederbanerne. Der er ikke satset på at opnå en absolut præcision, og værdier er normaliserede til målingerne, der er vist i tabellen nedenfor.
På et breadboard baseret på Microchips MCP6V76 op-amp blev de følgende værdier målt i en test af temperaturafdriftet mellem 25°C og 125°C. Fejlraten var flad til over 100°C, og meget af fejlen over de 125°C kan tilskrives afdrift i andre komponenter som i den konventionelle gain-modstand og forstærker (se tabel i originaludgaven).

Implementering af high-side strømføling
En high-side sensorversion kan bygges med afsæt i det velkendte ”Current Drive Current Sensing”-kredsløb vist i figur 4.
Current Drive-kredsløbet kan let tilpasses lederbane-kompensationsmetoden, hvor RCuSHUNT og RCuGAIN1 er printets lederbaner. RG er en konventionel modstand indstillet til det overordnede, ønskede gain-niveau. Z1 er en rail-to-rail zener-spændingsregulator for op-ampen. D1 giver input-beskyttelse, i tilfælde af at belastningen kortsluttes.


Overvej dedikeret strømmåling med shunts
Når man har implementeret en strømføler på sit prints lederbaner finder man ud af, hvorfor mennesket opfandt modstandene. Det nødvendige printareal til implementering af præcis strømføling med lederbaner vil uundgåeligt kræve et større printareal. Med tanke på, at selv de bedste forstærker-offsets er på mellem 5- og 10µV, og at en brugbar præcision begynder ved fuldskala spændingsfald en faktor 10 over disse værdier, så vil man nok komme til den konklusion, at den fysisk mindste løsning vil have fordel af en dedikeret shunt-modstand.
Et eksempel er vist i figur 5, hvor enkeltheden i at anvende en dedikeret shunt-modstand og strømfølerforstærkere bliver tydelig. Shunten udgør en præcisionsmodstand med en samtidig meget lav temperaturkoefficient. Moderne strømfølerforstærkere med nul-afdrift og lav offset-strøm tillader endnu lavere spændingsfald over shunten, hvilket både forbedrer effektiviteten og (ofte) tillader fysisk mindre shunts på grund af den lavere effektafsættelse i den dedikerede modstand. Både envejs- og tovejsmålekredsløb bliver også ret lette at designe og implementere.

Billedtekster:
Figur 1: Grundlæggende kredsløb for low-side strømføler med temperaturkompenseret kobberbane-shunt på printet.
Figur 2: Design med de tænkte shunt- og gain-indstillings lederbaner.
Figur 3: Closeup af et test-board med en amerikansk 25-cents mønt (quarter) for at vise den faktiske størrelse. Lederbanerne fra TP6 til TP7 er RSHUNT, mens lederbanen fra TP6 til TP8 er kobber gain-modstanden RG. Området dækket af quarter’en er den ubrugte del af kredsløbet.
Figur 4: Current Drive Current Sensing-kredsløb til følerfunktion på high-siden.
Figur 5: Dedikeret strømføler-forstærkerkredsløb med brug af Microchips MCP6C02-100 strømfølerforstærker.

Skrevet i: Artikler fra Aktuel Elektronik Tags: Print, sensorer

Seneste nyt fra redaktionen

Interaktiv eBook fra Mouser og TDK udforsker udfordringerne i industriel automation

Design & udvikling27. 06. 2025

Mouser Electronics, Inc. annoncerer en ny interaktiv eBook i samarbejde med TDK, én af verdens største producenter af elektroniske komponenter. Bogen udforsker de udfordringer, der i den effektivitet, sikkerhed og bæredygtighed, som avancerede automations applikationer kræver. Modern Industrial

2-kanals automotive high-speed digitale isolatorer fra Toshiba

Komponenter & konnektorer27. 06. 2025

Toshiba Electronics Europe GmbH (“Toshiba”) udvider sit program af isolationskomponenter med fire AEC-Q100 kvalificerede, 2-kanals, high-speed digitale isolatorer. De nye DCM32xx00-serier supporterer stabil drift med en høj common-mode transientimmunitet (CMTI) på 100kV/µs (typ.) ved

Powell Electronics leverer Amphenols Tri-Start MIL-DTL-38999 Serie III til hårde miljøer

Komponenter & konnektorer27. 06. 2025

Powell Electronics lagerfører nu Amphenols Tri-Start MIL-DTL-38999 Serie III / EN3645 gevindlåste konnektorer til både generel brug og til meget hårde omgivelser. Konnektorerne sikrer en meget høj ydelse med support af drift under kraftige vibrationer. De er velegnede til sammenkobling (mating) ved

Terma ansætter politisk sværvægter til sin fortsatte internationale ekspansion

Branchenyt27. 06. 2025

Steen Hommel, tidligere ministersekretær og driftsdirektør i Udenrigsministeriet, tiltræder hos Terma som vicedirektør for offentlige anliggender, kommunikation og partnerskaber den 1. august 2025. Han bidrager med årtiers diplomatisk og strategisk erfaring til at styrke virksomhedens eksterne

EU projekt gør Europa selvforsynende med fotoniske chips

AktueltDesign & udviklingProduktion27. 06. 2025

Det europæiske ELENA projekt kan nu annoncere, at man for første gang på vores kontinent har udviklet og produceret LNOI (lithium niobate on insulator) substrater til PIC (photonic integrated circuits) kredsløb. Det er et gennembrud, som etablerer en fuld europæisk forsyningskæde for TFLN (thin-film

Internationalt partnerskab giver nyt liv til kritiske metaller i elektronikaffald

AktueltDesign & udviklingProduktion27. 06. 2025

Et nyt partnerskab vil bane vej for en fremtid, hvor den sjældne jordart neodym i brugt forbrugerelektronik får nyt liv i stedet for at gå til spilde. Partnerskabet REECirkEL kan blive en af nøglerne til at komme tættere på EU's ambitiøse mål om 25 procent genanvendelse af sjældne jordarter inden

Würth Elektronik: Dansk elektronikindustri ser nu ud til at vokse mere end bare “forsigtigt”

BranchenytProduktionTop27. 06. 2025

Vi har fået følgende indlæg fra Bo Christensen, general manager for Würth Elektronik i Danmark. Væksten i elektronikbranchen i Danmark er ofte emne for diskussion. Det er forståeligt for det har jo betydning for arbejdspladser og investeringslysten til at drive elektronikvirksomhed i Danmark.

1-kanal systeminterface-enhed til de ultrastabile højpræcisions flux-gate strømtransducere

PowerTest & mål25. 06. 2025

Danisense, den førende virksomhed inden for højpræcise strømsensorer/-transducere til krævende applikationer, introducerer nu DSSIU-1-V, der er en kombination af en low-noise strømforsyning og en interface-enhed designet til support af et bredt udsnit af Danisense flux gate strømtransducere (DCCT).

Hytek udgiver sin kursuskalender for 2. halvår af 2025 med blandt andet selektiv lodning

BranchenytEvents25. 06. 2025

Hytek har udgivet sin kursuskalender for efteråret 2025. Se hele oversigten her Nyt kursus: Selektiv lodning Overvejer ens virksomhed, ligesom mange andre, at indføre en selektiv loddeproces i stedet for den traditionelle bølgeloddeproces som en del af den grønne omstilling? Så er vores nye

Høj sikkerhed med ODU’s nye Lamtac Flex high-power moduler

Komponenter & konnektorer25. 06. 2025

Nu tilbyder ODU high-power moduler med Lamtac Flex teknologi, som giver en høj sikkerhed og brugervenlig håndtering. Modulerne er en udvidelse af konnektorserierne ODU-MAC Blue-Line og White-Line/Silver-Line. Tilsvarende power-kontakter er allerede i brug i ODU-MAC Power Connector. En ny feature

Tilmeld Nyhedsbrev

/Nyheder

  • Mouser Electronics

    The Latest News from Mouser Electronics

  • Microchip Technology Inc.

    New Off-the-Shelf Radiation-Hardened 15W DC-DC Power Converter for Space Applications

  • GOmeasure ApS

    Støjmåling i rummet

  • Mouser Electronics

    Mouser Announces New eBook Showcasing Fundamental Motor Control Design Challenges and Solutions from Qorvo

  • Power Technic ApS

    NPB, 450-1200W Batterilader serie til både bly-syre og Li-Io

  • InnoFour

    Questa Prime becomes Questa One Sim

  • Phoenix Contact A/S

    Installationsparate tilslutningsbokse til solcelleanlæg på tage og fritstående solcelleanlæg

  • Microchip Technology Inc.

    Microchip Enhances TrustMANAGER Platform to Support CRA Compliance and Cybersecurity Regulations

  • Beckhoff Automation ApS

    Sikker energiforsyning med PC-baseret styring

  • EKTOS A/S

    Webinar Invitation: Architecturing Functional Safety

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›
 
 
 
 

Læs Aktuel Elektronik

Aktuel Elektronik avisforside

Annoncér i Aktuel Elektronik

Medieinformation

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik