Перейти к содержанию

Токовый шунт: расчёт и погрешность измерения

Задайте ток, шунт и усилитель — калькулятор посчитает напряжение и мощность на шунте, диапазон выхода, ток на один код АЦП и шум, а главное — погрешность измерения: каждую составляющую отдельно, их сумму в наихудшем случае и корень из суммы квадратов, с калибровкой и без.

Исходные данные

А
А
мОм
°C

ΔT считается от 25 °C

В
В

0 — ток в одну сторону, Vcc/2 — в обе

В

напряжение шины, где стоит шунт

Калибровка при 25 °C
Параметры усилителя (TSC213, ST DS13237 Rev 7, табл. 5)
В/В
мкВ
мкВ/°C
дБ

при синфазном 12 В в даташите

мкА
%
ppm/°C
%
мкВ/В

пусто — не указано

В

от условий даташита

В
В
нВ/√Гц
кГц
Параметры шунта
%
ppm/°C
мкВ/°C
°C
АЦП и опорное напряжение
бит
В
%

0 — если АЦП меряет выход относительно Vref

Результат

Погрешность, RSS
1,62 %
корень из суммы квадратов, AN5849 ур. 19
Наихудший случай
3,7 %сумма всех предельных ошибок, ур. 15
Напряжение на шунте
20 мВпри 2 А
Выход усилителя
3,5 ВG · R · I + Vref
Мощность на шунте
160 мВтпри 4 А; берите резистор с запасом
Диапазон тока
−4,94 А … 4,6 Апока выход не упирается в питание или землю
Ток на один код АЦП
2,44 мА1638 кодов от Vref до наибольшего тока
Шум на выходе, СКЗ
753 мкВпо току 1,51 мА

Составляющие погрешности при 2 А

Доли показания по AN5849: ошибки смещения постоянны в вольтах и растут на малых токах, ошибки усиления и шунта — постоянная доля показания.

ИсточникФормула% показанияНа выходе
Ошибка усиленияεG110 мВ
Нелинейностьεлин0,01100 мкВ
Дрейф усиленияdG/dT · ΔT0,22 мВ
Допуск шунтаεш0,55 мВ
ТКС шунтаТКС · ΔT110 мВ
Напряжение смещенияVio / Vsense0,55 мВ
Термо-ЭДС шунтаЭДС · ΔTконц / Vsense0,252,5 мВ
Дрейф смещенияdVio/dT · ΔT / Vsense0,151,5 мВ
Входной токIвх / I0,0017517,5 мкВ
Нестабильность питанияΔVcc / PSRR / Vsense00 В
Синфазное напряжение(Vcm − Vcm дш) / CMRR / Vsense0,09900 мкВ
Опорное напряжениеVref · εref / (G · Vsense)00 В

Погрешность в зависимости от тока

ТокНаихудшаяRSS
100 мА22,5 %11,8 %
200 мА12,6 %6,05 %
400 мА7,67 %3,3 %
1 А4,69 %1,91 %
2 А3,7 %1,62 %
3 А3,37 %1,56 %
4 А3,21 %1,54 %

Расчёт выполнен по формулам и данным из источников, приведённых на этой странице, и не заменяет проверку: параметры компонентов у разных производителей и даже партий различаются. Перед применением сверяйте результат с документацией на конкретные детали.

Токовый шунт — резистор малого сопротивления в цепи тока: напряжение на нём по закону Ома пропорционально току. Это напряжение — десятки милливольт — усиливает специальный усилитель (current sense amplifier) и передаёт на АЦП. Калькулятор считает всю цепочку и показывает, откуда берётся погрешность и как она меняется с током. Методика — из рекомендаций ST по расчёту ошибок токового усилителя (AN5849), параметры готовых усилителей — из их даташитов.

Шунт и выход усилителя

Напряжение на шунте и мощность на нём:

Vsense=I⋅Rш,P=I2RшV_{sense} = I \cdot R_{ш}, \qquad P = I^2 R_{ш}

Большой шунт даёт большой сигнал и точность, но греется и отнимает напряжение у нагрузки. Поэтому сначала шунт ограничивают по мощности: R ≤ Pmax / Imax². Для 4 А и шунта 10 мОм на нём 40 мВ и 0,16 Вт — резистор берут с запасом по мощности.

Усилитель умножает напряжение шунта на коэффициент G и добавляет опорное напряжение Vref:

Vвых=G⋅Rш⋅I+VrefV_{вых} = G \cdot R_{ш} \cdot I + V_{ref}

Если Vref = 0, ток меряется в одну сторону; если Vref — середина питания, в обе. Выход не доходит до шин питания: у TSC21x он не ближе 0,2 В к Vcc и 30 мВ к земле. Поэтому наибольший ток ограничен ещё и выходом: с TSC213 (G = 50), шунтом 10 мОм, Vcc = 5 В и Vref = 2,5 В линейный участок кончается на 4,6 А в прямую сторону и на 4,94 А в обратную.

После усилителя стоит АЦП: N-разрядный преобразователь со шкалой Vfs делит её на 2^N кодов, и один код соответствует току Vfs / (2^N · G · R). Для 12 бит, шкалы 5 В и тех же 50 · 10 мОм это 2,44 мА. Шум усилителя на выходе считается по его спектральной плотности и полосе: у TSC213 38 нВ/√Гц в полосе 100 кГц дают около 0,75 мВ СКЗ — по току это 1,5 мА.

Откуда берётся погрешность

Ошибки делятся на два вида. Ошибки смещения постоянны в вольтах: напряжение смещения усилителя Vio и его дрейф, термо-ЭДС на выводах шунта, входной ток, влияние синфазного напряжения (CMRR) и питания (PSRR), ошибка опорного напряжения. Их доля в показании обратно пропорциональна току. Ошибки усиления — постоянная доля показания: ошибка и дрейф коэффициента усиления, нелинейность, допуск и ТКС шунта.

СоставляющаяВидДоля показания
Ошибка и дрейф усиления, нелинейностьусилениеεG + dG/dT · ΔT + εлин
Допуск и ТКС шунтаусилениеεш + ТКС · ΔT
Смещение и его дрейфсмещение(Vio + dVio/dT · ΔT) / Vsense
Термо-ЭДС шунтасмещениеЭДС · ΔTконц / Vsense
Входной токсмещениеIвх / I
Синфазное напряжениесмещение(Vcm − 12 В) / CMRR / Vsense
ПитаниесмещениеΔVcc / PSRR / Vsense
Опорное напряжениесмещениеVref · εref / (G · Vsense)

Здесь ΔT — отклонение температуры от 25 °C, при которой заданы параметры, ΔTконц — разница температур выводов шунта, а 12 В — синфазное напряжение, при котором в даташитах TSC21x и TSC201x указано смещение. Сумма модулей всех составляющих — наихудший случай: гарантированная граница, но все ошибки сразу максимальны и одного знака почти не бывают. Корень из суммы квадратов (RSS) считает их независимыми и ближе к реальной плате:

εmax=∑k∣εk∣,εRSS=∑kεk2\varepsilon_{max} = \sum_k |\varepsilon_k|, \qquad \varepsilon_{RSS} = \sqrt{\sum_k \varepsilon_k^2}

Если плату калибруют при 25 °C с нулевым и известным током, постоянные части ошибок вычитаются, и остаются только дрейфы — усиления, смещения и ТКС шунта — и термо-ЭДС, которая появляется при нагреве.

Пример из AN5849

ST разбирает такой случай: ток соленоида на аккумуляторе 13,8 В, TSC213 с усилением 50 и питанием 5 В, шунт 10 мОм с допуском 0,5 %, ТКС 100 ppm/°C и термо-ЭДС 5 мкВ/°C при разнице температур выводов 10 °C, ток 2 А при 125 °C. Напряжение на шунте — 20 мВ, и смещение со своим дрейфом (100 мкВ + 0,3 мкВ/°C · 100 °C) даёт 0,65 %, термо-ЭДС — 0,25 %, синфазное напряжение — 0,09 %. Ошибка усиления с дрейфом — 1,2 %, шунт — 1,5 %. Всего в наихудшем случае 3,7 %, по RSS около 1,6 %, а после калибровки при 25 °C в наихудшем случае остаётся 1,6 %. Эти значения калькулятор показывает при исходных данных по умолчанию; ошибку опорного напряжения он считает по формуле из таблицы выше (в таблицах примера для неё указано 50 ppm, хотя 0,1 % от 2,5 В при выходном сигнале 1 В дают 0,25 %).

На 100 мА в том же примере ошибки смещения в 20 раз больше, и погрешность в наихудшем случае превышает 20 % — для малых токов нужен шунт побольше или усилитель с меньшим смещением.

Как пользоваться

  1. Выберите усилитель из списка — параметры подставятся из его даташита — или введите свои в блоке «Параметры усилителя».
  2. Задайте наибольший ток, шунт, питание, опорное напряжение и напряжение шины, на которой стоит шунт.
  3. Укажите ток, на котором оценивать погрешность, и рабочую температуру. Ниже панели — таблица составляющих погрешности и её зависимость от тока: по ней видно, где шунт мал и что улучшать в первую очередь.

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. Ещё одно ограничение — выход усилителя: G·R·Imax вместе с опорным напряжением должно уложиться в размах выхода. Снизу сопротивление ограничивает точность: чем меньше напряжение на шунте, тем заметнее смещение усилителя, особенно на малых токах. Обычно выбирают наибольший шунт, который проходит по мощности и выходу.

Почему на малых токах погрешность растёт?

Часть ошибок постоянна в вольтах: напряжение смещения усилителя, термо-ЭДС шунта, влияние синфазного напряжения. Пока напряжение на шунте десятки милливольт, они дают доли процента, но при токе в 20 раз меньше их доля в 20 раз больше. Ошибки усиления и допуск шунта, наоборот, — постоянная доля показания. Поэтому на графике погрешности от тока она падает и выходит на полку.

Чем отличаются наихудшая погрешность и RSS?

Наихудшая — сумма всех предельных ошибок из даташита, как будто все они одновременно максимальны и одного знака; это гарантированная граница, но очень пессимистичная. RSS — корень из суммы квадратов: ошибки считаются независимыми и случайными, и такой расчёт ближе к тому, что покажет реальная плата. В примере ST AN5849 на 2 А и 125 °C это 3,7 % и около 1,6 %.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN5849: Expected output error for a current sensing amplifier, Rev 1, 2022 — уравнения 1–20: составляющие погрешности, наихудший случай, RSS, калибровка при 25 °C; пример с TSC213 — эталон тестов
  2. STMicroelectronics. TSC210, TSC211, TSC212, TSC213, TSC214, TSC215 (DS13237), Rev 7, 2025 — табл. 5 — параметры; п. 6.4 — выбор шунта по мощности; п. 6.6 — пример расчёта ошибок и шума — эталон тестов
  3. STMicroelectronics. TSC2010, TSC2011, TSC2012 (DS13057), Rev 8 — табл. 4 — параметры усилителей на синфазное до 70 В
  4. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B), 2020 — п. 24.7 — код АЦП: 0x3FF соответствует опорному напряжению минус один младший разряд
Встроить калькулятор на свой сайт

Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах

<iframe src="https://gaw.ru/embed/current-shunt/" title="Токовый шунт: расчёт и погрешность измерения" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/current-shunt/">Токовый шунт: расчёт и погрешность измерения</a> — GAW.ru</p>
Автоподстройка высоты рамки

Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.

<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>

Обновлено .

Нашли ошибку в расчёте?