Sensoriamento de corrente resistiva:Sensor de lado baixo vs. lado alto

Qual é a diferença entre a detecção de corrente resistiva no lado alto e no lado baixo? Este artigo explica os fundamentos, bem como quando cada um é a escolha de design mais apropriada.

Muitas aplicações, como gerenciamento de energia, carregamento de bateria, controle de motor e proteção contra sobrecorrente, podem se beneficiar da detecção de corrente resistiva. Existem duas opções para colocar um resistor de detecção de corrente em série com uma carga:detecção de corrente no lado baixo e no lado alto.

Neste artigo, veremos esses dois arranjos e discutiremos suas vantagens e desvantagens básicas.

Sensor de Corrente Resistiva

A detecção de corrente resistiva é amplamente usada em montagens de placa de circuito impresso ao lidar com níveis de corrente baixos a moderados. Com esta técnica, um resistor conhecido R _shunt é colocado em série com a carga e a tensão desenvolvida no resistor é medida para determinar a corrente da carga. Isso é ilustrado na Figura 1.

Figura 1

Os resistores de detecção de corrente, também chamados de resistores de shunt ou simplesmente shunts, geralmente têm valores na faixa de miliohms. Para aplicações de corrente muito alta, o valor do resistor de derivação pode ser até frações de um miliohm para reduzir a potência dissipada pelo resistor.

Observe que, mesmo com valores de resistor pequenos, a dissipação de energia do shunt pode ser um problema, especialmente para aplicações de alta corrente. Por exemplo, com R =1 mΩ e I =100 A, a potência dissipada pelo resistor shunt é:

\ [P =R \ vezes I ^ 2 =0,001 \ vezes 100 ^ 2 =10 W \]



Um pequeno valor de resistor também leva a uma pequena queda de tensão no resistor. É por isso que um amplificador é necessário para converter a pequena voltagem desenvolvida através do resistor de derivação em uma voltagem suficientemente grande adequada para circuitos upstream.

Discutiremos que, na detecção de corrente do lado alto, o amplificador pode ter requisitos rigorosos em termos de especificação da taxa de rejeição de modo comum (CMRR).

Sensor de lado baixo e lado alto

Existem duas opções para colocar um resistor shunt em série com uma carga. Esses dois arranjos são referidos como métodos de detecção de corrente do lado baixo e do lado alto e são representados na Figura 2.

Figura 2. (a) Sensor de corrente do lado inferior e (b) técnicas de detecção de corrente alta.

Na configuração do lado inferior, o resistor de detecção de corrente (R _shunt ) é colocado entre o terminal de aterramento da fonte de alimentação e o terminal de aterramento da carga. Com o método do lado alto, o resistor shunt é colocado entre o terminal positivo da fonte de alimentação e a entrada de alimentação da carga.

Vamos ver quais são as vantagens e desvantagens de cada método.

Sensor de lado alto versus lado baixo:o valor do modo comum

Suponha que R _shunt =1 mΩ e I =100 A. Mesmo com esta grande corrente, a queda de tensão no resistor de derivação é de apenas 100 mV. Portanto, o valor de modo comum da tensão em um resistor de derivação do lado baixo está apenas ligeiramente acima do potencial de terra. E, para a configuração do lado alto, o nível de modo comum da tensão no resistor de derivação é muito próximo da tensão de alimentação da carga.

Uma vez que o amplificador usado na detecção de corrente do lado baixo lida com uma pequena tensão de modo comum, ele não precisa ter uma alta taxa de rejeição de modo comum (CMRR). A taxa de rejeição do modo comum especifica quanta atenuação um amplificador exibe para um sinal que é comum a ambas as entradas do amplificador. Uma vez que o valor do modo comum é quase zero para uma configuração de detecção de corrente do lado baixo, o requisito CMRR do amplificador é significativamente relaxado e, conseqüentemente, configurações simples do amplificador podem ser usadas.

A Figura 3 mostra um amplificador básico que pode ser usado na detecção de corrente do lado baixo.

Figura 3

Neste exemplo, o amplificador consiste em um amplificador operacional e dois resistores de configuração de ganho R1 e R2. Observe que esta é, na verdade, a configuração não inversora de um amplificador operacional. O esquema mais familiar deste amplificador é mostrado abaixo:

Figura 4

A saída, que é uma versão amplificada de V _shunt pode ser encontrado pela seguinte equação:

\ [V_ {out} =\ left (1 + \ frac {R_2} {R_1} \ right) V_ {in} =\ left (1 + \ frac {R_2} {R_1} \ direita) V_ {shunt} \]



Por outro lado, um amplificador usado na detecção de corrente do lado alto precisa lidar com uma grande tensão de modo comum. O amplificador deve ter um CMRR alto para evitar que a grande entrada de modo comum apareça na saída. É por isso que configurações de amplificador especializadas são necessárias para detecção de corrente do lado alto. Esses amplificadores devem exibir um CMRR alto e suportar uma faixa de modo comum de entrada até a tensão de alimentação da carga.

Vale a pena mencionar que existem muitas aplicações de detecção de corrente do lado alto, como aplicações de controle de motor trifásico, onde a tensão de alimentação da carga é muito maior do que a tensão de alimentação usada para o amplificador. Portanto, em uma configuração de detecção de lado alto, o modo comum de entrada do amplificador geralmente precisa ser muito maior do que sua tensão de alimentação - um requisito que torna o projeto do amplificador muito desafiador.

O método do lado inferior pode causar problemas de loop de solo

Embora o método de detecção do lado baixo simplifique o projeto do amplificador, ele tem algumas desvantagens. A medição de corrente do lado baixo coloca um resistor adicional no caminho de aterramento. Conseqüentemente, o aterramento do circuito monitorado está em um potencial ligeiramente mais alto do que o aterramento do sistema. Isso pode se tornar um problema para alguns circuitos analógicos.

Como o aterramento do circuito monitorado não tem o mesmo potencial que as outras cargas no sistema, pode haver problemas de loop de aterramento levando a um ruído audível, como um zumbido ou até mesmo interferência com equipamentos próximos. Devido a esta limitação, a detecção de corrente do lado baixo é geralmente usada em aplicações onde lidamos com uma carga isolada ou a carga não é sensível ao ruído de terra. O controle de motor com custo reduzido em aplicações como drones, brocas e serras alternativas geralmente empregam sensoriamento do lado inferior para poder competir no espaço do mercado consumidor.

O método do lado inferior não pode detectar a detecção de falhas

Existem várias condições de falha que o sensor de corrente do lado inferior não consegue detectar. A Figura 5 mostra um exemplo em que ocorre um curto entre a fonte de alimentação do circuito monitorado e o aterramento do sistema.

Figura 5

A corrente de falha, eu _curto , flui da tensão do barramento diretamente para o aterramento do sistema e não passa pelo resistor shunt. Conseqüentemente, o circuito do monitor de corrente não detectará essa condição de falha. O sensor de corrente do lado baixo também não pode detectar um curto entre o aterramento do circuito monitorado e o aterramento do sistema (Figura 6).

Figura 6

No entanto, o sensor de corrente do lado alto pode detectar as condições de falha que ocorrem a jusante do resistor de derivação. Isso é mostrado na Figura 7.

Figura 7

Nesse caso, a corrente de falha passa pelo resistor shunt. Conseqüentemente, o circuito de medição de corrente pode detectar a condição de curto e acionar a ação corretiva apropriada.

Sensor de corrente do lado alto pode simplificar a fiação

Outra desvantagem do sensor de corrente do lado baixo é que dois fios são necessários para alimentar o circuito monitorado, mesmo se o aterramento do sistema estiver disponível. Por exemplo, em aplicações automotivas, o chassi do carro serve como um terreno comum. Com o chassi no nível do solo do sistema, precisamos apenas de um único fio para alimentar uma carga. No entanto, se a corrente através da carga for monitorada pela técnica de medição do lado baixo, o aterramento do sistema não pode ser usado e dois fios são necessários para a carga. Uma vez que a técnica de detecção do lado alto usa o aterramento do sistema para a carga monitorada, ela não sofre com essa limitação. É por isso que a detecção do lado alto é mais adequada para aplicações automotivas.

No próximo artigo, examinaremos o esquema da Figura 3 com mais detalhes. Veremos que esta estrutura também é suscetível à resistência do traço de PCB e uma medição mais precisa pode ser feita por meio de um amplificador de diferença.

Conclusão

A principal vantagem da detecção do lado baixo é que configurações relativamente simples podem ser usadas para amplificar a tensão através do resistor de derivação. No entanto, a detecção de corrente do lado baixo é suscetível a distúrbios de aterramento e não pode detectar condições de falha. O sensoriamento de corrente do lado baixo é geralmente usado em aplicações de controle de motores com custo reduzido que precisam ser capazes de competir no espaço de mercado do consumidor.



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