• 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

Fikse indstøbte AC/DC-forsyninger til printmontage

Power21. 11. 2025

Skalérbarhed er i stigende grad en faktor, som skal tænkes ind i nye familier af elektronikprodukter, hvor funktioner og ydelse spænder stadigt bredere i mange OEM-virksomheders produktprogrammer – ikke mindst med tilføjelsen af ekstra funktioner som øget regnekraft i edgen, kommunikationsfunktioner

Robotter i charmeoffensiv

EventsProduktion21. 11. 2025

Tirsdag den 25.11 bliver der travlt i både svingdør og ved robotarmene hos Danrobotics i Middelfart. 25 virksomheder – og dermed udsolgt – har meldt deres ankomst til en dag, hvor virksomheder fra Middelfart, Trekanten og det øvrige sydjyske område skal blive klogere på, hvordan de kan få en robot

Strømforsyning i slankt DIN-skinnemodul leverer op til 40A

Power21. 11. 2025

Recoms RACPRO1-RD40, et nyt DIN-skinneredundansmodul, kan fungere som AC/DC-forsyning i et n+1 redundant eller parallelt setup til kritiske applikationer, hvor strømmen skal opretholdes, selvom én af AC/DC-forsyningerne går offline. I redundanstilstand kan hvert modul bruges med en belastning på

DI: EU tager vigtigt skridt mod digital regelforenkling

Wireless & data21. 11. 2025

EU-Kommissionen har i dag præsenteret en omfattende pakke på det digitale område med bl.a. enklere regler og mindre administrativt bøvl på det digitale område. Formålet er at øge Europas konkurrence, og i landets største erhvervsorganisation, Dansk Industri (DI), hilses udspillet fra Kommissionen

MicroLED datalink accelererer AI

AktueltDesign & udvikling21. 11. 2025

Franske CEA-Leti lancerer nu et flersidet program til ultra hurtig dataoverførsel vha. microLED teknikken, især med fokus på at accelerere udviklingen inden for kunstig intelligens (AI). Dette lab-til-fab initiativ bygger på instituttets store ekspertise inden for microLED teknologien, og det

Terma skal strømforsyne Europas LISA-mission og fremme en ny æra inden for astrofysik

AktueltBranchenytDesign & udviklingPower21. 11. 2025

Terma har sikret sig sin hidtil største rumkontrakt fra OHB System AG om at levere kritisk hardware til Den Europæiske Rumorganisations Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-mission, der er planlagt til opsendelse i 2035. I henhold til aftalen vil Terma levere strømforsynings- og

Tydelig optimisme prægede Productronica-messen i München

EventsProduktionTop21. 11. 2025

Man kan læse utallige statistikker for at danne sig billeder af, hvordan elektronikmarkedet ser ud både nu og i nær fremtid, men ofte peger informationerne i vidt forskellige retninger. Det er en langt bedre indikation at besøge de store internationale fagmesser og lægge øret til – om ikke jorden,

Batteribesparende trådløse mikrocontrollere optimeret til fjernbetjeninger

IoT & embedded19. 11. 2025

STMicroelectronics introducerer STM32WL3R, en trådløs mikrocontroller (MCU) optimeret til fjernbetjeninger i forbrugerprodukter og hjemmeautomation. STM32WL3R er udviklet fra den velprøvede STM32WL3 sub-GHz trådløse MCU og indeholder en lav-strøm RF-transceiver, fleksible strømbesparende tilstande

Aluminiumsprodukter indgår nu i Same Skys tilbehørsprogram af knapper

Komponenter & konnektorer19. 11. 2025

Same Skys Motion and Control Group annoncerer nu udvidelsen med aluminiumsknapper til sit program af knapper. SAK-familien af aluminiumsknapper er kompatibel med Same Skys program af drejepotentiometre og  incrementale encodere til panelmontage med aksler med

OT-cybersikkerhed som konkurrenceparameter er ikke et ”hvis” men et ”hvornår”

Wireless & data19. 11. 2025

Danske virksomheder udsættes dagligt for tusindvis af potentielle cyberangreb, og SMV’er halter bagud på OT-sikkerheden. Ingeniør- og automationshuset Holtec.dk er blandt de første i branchen blevet D-mærket – et strategisk skridt for at sikre kunderne. Ifølge en rapport fra Styrelsen for

Tilmeld Nyhedsbrev

/Nyheder

  • Mouser Electronics

    The Latest News from Mouser Electronics

  • Mouser Electronics

    Mouser Congratulates the Winners of 2025 Create the Future Design Contest

  • Avnet Silica

    AMD – IMPLEMENTING SYNTHETIC APERTURE RADAR IN SPACE WITH AMD VERSAL ADAPTIVE SOCS – 1 Hour Online presentation

  • Rohde & Schwarz Danmark A/S

    Rohde & Schwarz presents multi-purpose R&S NGT3600 high-precision dual-channel power supply at productronica

  • Avnet Silica

    Explore the flexible and ultra-low power STM32WL3x SoC – Online seminar

  • InnoFour

    Discover Siemens Xcelerator Solutions

  • Mouser Electronics

    The Latest News from Mouser Electronics 

  • InnoFour

    Online DFM for Printed Circuit Boards

  • Mouser Electronics

    Mouser Electronics Explores the Future of Advanced Air Mobility and Its Impact on Design

  • Mouser Electronics

    Mouser Electronics Supports Advanced Underwater Harvester Project for UK Seagrass Restoration

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