Перейти к содержанию

Токовый шунт

Токовый шунт — резистор с малым точным сопротивлением, который включают в цепь последовательно с нагрузкой. Падение напряжения на нём пропорционально току, и, измерив это напряжение, микроконтроллер узнаёт ток.

Обновлено Редакция GAW

Токовый шунт (current shunt, current sense resistor) — резистор с малым, точно известным сопротивлением, который включают последовательно с нагрузкой, чтобы измерять ток по падению напряжения на нём:

Uш=I⋅Rш,P=I2RшU_ш = I \cdot R_ш, \qquad P = I^2 R_ш

Ток 4 А на шунте 10 мОм даёт 40 мВ и выделяет 0,16 Вт. Сопротивление выбирают компромиссом: больше — сильнее сигнал и меньше влияние смещения усилителя, меньше — меньше нагрев и потеря напряжения для нагрузки. Сверху его ограничивают по мощности: R ≤ Pmax / Imax² (ST DS13237, п. 6.4).

Шунт в минусе и в плюсе

Low-side (в минусе)High-side (в плюсе)
Напряжение на шунтепочти от землипод напряжением питания нагрузки
Чем измерятьобычный ОУ или прямо АЦПусилитель токового шунта с широким синфазным диапазоном
Недостатокземля нагрузки приподнята, утечка на корпус не виднанужен специальный усилитель

Усилитель токового шунта умножает напряжение на шунте на фиксированный коэффициент и подавляет синфазное напряжение — насколько хорошо, описывает CMRR. Шунт в плюсе требует, чтобы синфазный диапазон усилителя покрывал напряжение питания нагрузки: у TSC213 это −0,3…26 В, у TSC2010 — −20…70 В.

Погрешность

Ошибки делятся на два вида. Ошибки смещения постоянны в вольтах — напряжение смещения усилителя, его дрейф, термо-ЭДС на выводах шунта — и сильнее всего сказываются на малых токах. Ошибки усиления — постоянная доля показания: допуск и ТКС шунта, ошибка коэффициента усиления. Полный расчёт погрешности по методике ST AN5849 делает калькулятор токового шунта, а способы измерения тока — шунт, датчик Холла и трансформатор тока — сравниваются в статье «Как измерить ток».

Частые вопросы

Как выбрать сопротивление шунта?

Сверху сопротивление ограничивает мощность: на шунте выделяется I²R, поэтому при допустимых 0,5 Вт и токе 10 А шунт не больше 5 мОм. Снизу — точность: чем меньше напряжение на шунте, тем заметнее смещение усилителя. Обычно берут наибольший шунт, который проходит по мощности и по размаху выхода усилителя.

Куда ставить шунт — в плюс или в минус?

В минус (low-side) проще: напряжение на шунте отсчитывается почти от земли, хватит обычного ОУ или АЦП. Но земля нагрузки приподнимается на падение на шунте, а утечку нагрузки на корпус в обход шунта он не видит. В плюс (high-side) шунт видит весь ток, но стоит под напряжением питания, и нужен усилитель с широким синфазным диапазоном — у TSC213 от −0,3 до 26 В, у TSC2010 — от −20 до 70 В.

Почему на малых токах погрешность измерения растёт?

Часть ошибок постоянна в вольтах: напряжение смещения усилителя, термо-ЭДС на выводах шунта, влияние синфазного напряжения. Пока на шунте десятки милливольт, они дают доли процента, но при токе в 20 раз меньше их доля в 20 раз больше. Ошибки усиления — допуск шунта и коэффициента усиления — остаются постоянной долей показания.

Источники

  1. STMicroelectronics. TSC210, TSC211, TSC212, TSC213, TSC214, TSC215 (DS13237), Rev 7, 2025 — синфазное напряжение −0,3…26 В; п. 6.3 — однонаправленное и двунаправленное включение; п. 6.4 — выбор шунта по мощности
  2. STMicroelectronics. AN5849: Expected output error for a current sensing amplifier, Rev 1, 2022 — составляющие погрешности: смещения и усиления, наихудший случай и RSS
  3. STMicroelectronics. TSC2010, TSC2011, TSC2012 (DS13057), Rev 8 — усилители с синфазным напряжением от −20 до 70 В

Нашли ошибку?

Смотрите также