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Fundamentos de la medición de corriente: Parte 1: Resistores de detección de corriente

Por Steve Leibson

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del editor: Esta serie de dos partes analiza los matices subestimados de la detección de corriente. La parte 1 (aquí) explicará la configuración general, selección e implementación de un resistor de detección de corriente. La parte 2 explicará los circuitos asociados, como el front end analógico (AFE) crítico y el amplificador de instrumentación.

Los fundamentos de la medición de corriente

El flujo de corriente es uno de los parámetros más comunes utilizados para evaluar, controlar y diagnosticar la efectividad operativa de sistemas electrónicos. Debido a que es una medición muy común, los diseñadores a menudo se meten en problemas si subestiman los matices de la medición precisa de la corriente.

El elemento de detección más común utilizado para detectar el flujo de corriente es un resistor de precisión de bajo valor colocado en el flujo de corriente. Este resistor, generalmente llamado una derivación, desarrolla un voltaje a través de él que es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Debido a que el resistor de derivación no debería afectar significativamente el flujo de corriente, a menudo es bastante pequeño, en el orden de los miliohmios o fracciones de un miliohmio (mΩ). Como resultado, el voltaje desarrollado a través del resistor de derivación también es bastante pequeño y, a menudo, requiere amplificación antes de ser convertido por un convertidor de analógico a digital (ADC).

Como tal, una configuración de cadena de señal común para supervisar la corriente involucra un extremo frontal analógico para amplificar el voltaje desarrollado a través del resistor de derivación, un ADC para convertir el voltaje amplificado en una representación digital y un controlador de sistema (Figura 1).

Diagrama de resistor de derivación de corriente

Figura 1: La forma más fácil de medir el flujo de corriente es con un resistor de derivación de corriente (extremo izquierdo), a través del cual se desarrolla un voltaje que es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Un AFE amplifica el bajo voltaje a través del resistor de derivación para usar el rango de medición completo del ADC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un AFE, generalmente implementado con un amplificador operacional o un amplificador de detección de corriente dedicado, convierte el voltaje diferencial pequeño desarrollado a través del resistor de derivación en un voltaje de salida más grande que usa más del rango de medición completo del ADC. El ADC, que puede ser un dispositivo independiente o un bloque en el chip dentro de un microcontrolador o un sistema en chip (SoC), digitaliza la señal de voltaje y proporciona la información resultante al procesador de control. El controlador del sistema utiliza la medición digitalizada del flujo de corriente para optimizar el rendimiento del sistema o para implementar protocolos de seguridad para evitar daños al sistema si el flujo de corriente excede un límite preestablecido.

Como el componente del sensor en la cadena utilizado para convertir la corriente en voltaje, todas las características físicas del resistor (resistencia, tolerancia, capacidad de potencia, coeficiente térmico y fuerza electromotriz (EMF) térmica) afectan la precisión. En consecuencia, elegir el resistor de derivación adecuado es fundamental para optimizar la medición de corriente.

El valor de resistencia de derivación y el voltaje correspondiente desarrollado a través del resistor de derivación perturban el sistema. Por ejemplo, un resistor derivación con una resistencia demasiado grande puede reducir el voltaje disponible para impulsar la carga y causar pérdidas innecesarias.

Por ejemplo, al medir la corriente suministrada a un devanado de motor, un voltaje reducido disminuye la potencia eléctrica disponible para el motor, afectando su eficiencia o par de torsión. Además, las grandes corrientes que fluyen a través del resistor de derivación (decenas o cientos de amperios) causarán que el resistor disipe una cantidad significativa de energía como calor residual, lo que hace que la medición sea menos precisa y menos eficiente. Por estas razones, el resistor de derivación debe ser lo más pequeño posible.

Elegir un resistor de derivación para medir la corriente

El hecho de que los resistores de derivación disipen la potencia como resultado de la corriente de carga que fluye a través de ellos requiere que tengan valores de resistencia muy bajos. Además, para la estabilidad de la medición, los resistores de detección de corriente también deben tener un coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) muy bajo. Un TCR bajo generará una alta precisión de medición con una dependencia de temperatura baja.

La EMF térmica del resistor de detección de corriente es otra característica importante. Los resistores de derivación de corriente deben operar en una amplia gama de corrientes. Cuando la corriente es baja, por ejemplo, en una aplicación de batería durante el modo inactivo o en espera, la EMF térmica de derivación agrega un voltaje de error medible al voltaje generado por la corriente que fluye a través del resistor. El voltaje de error debe ser significativamente más bajo que el voltaje esperado más bajo generado por la corriente de interés que fluye a través del resistor de derivación, lo que minimiza el error de medición.

Los resistores de derivación para aplicaciones de detección de corriente están disponibles con dos o cuatro terminales. Un resistor de derivación con dos terminales es el más sencillo de entender porque funciona de la misma manera que cualquier resistor de dos terminales. Pasar una corriente a través del resistor de derivación de dos terminales genera un voltaje en sus terminales que es proporcional a la corriente que lo atraviesa.

Ejemplos de resistores de derivación de dos terminales incluyen la serie Bourns CSS2 de resistores de derivación y la serie Vishay WSLP de resistores de derivación. La serie CSS2 de Bourns incluye resistores de derivación con potencia de salida de 2 a 15 vatios, resistencias de 0.2 a 5 mΩ y potencias de salida máximas de 140 a 273 amperios. Un dispositivo típico en la serie, el CSS2H-2512R-L500F, viene en un paquete de montaje en superficie 2512 y tiene una resistencia de 0.5 mΩ y una potencia de salida de 6 vatios.

La familia de resistores de derivación WSLP de Vishay incluye dispositivos en varios estilos de paquetes de montaje en superficie que varían en tamaño de superficie de 0603 a 2512 con potencias de salida de 0.4 a 3 vatios, resistencias de 0.5 a 0.1 Ω y tolerancias de resistencia de 0.5 o 1 %. Un resistor de derivación de corriente Vishay típico es el WSLP1206R0150FEA, que viene en un paquete 1206 con una resistencia de 15 mΩ, una tolerancia del 1 % y una potencia de salida de 1 vatio.

Tenga en cuenta que estos resistores de derivación de corriente de tecnología de montaje en superficie (SMT) son pequeños y requieren muy poco espacio en la placa, pero debido a que pueden disipar cantidades significativas de calor, deben colocarse lejos de los componentes sensibles al calor.

Tres resistencias en un resistor de derivación

A pesar de las apariencias, los resistores de derivación de corriente no son tan simples como parecen. En particular, la resistencia de un resistor de derivación en realidad consiste en tres resistencias (Figura 2). En primer lugar, está la resistencia del propio resistor de derivación. Luego están las resistencias de los conductores del resistor de derivación y los conductores de la placa de circuito impreso conectados al resistor de derivación. Normalmente estas resistencias de los conductores son insignificantes, pero los resistores de derivación de corriente generalmente tienen valores muy bajos. En mediciones de corriente alta, incluso las resistencias pequeñas de los conductores introducen errores de medición porque no forman parte de las especificaciones de resistencia del fabricante del resistor de derivación.

El diagrama del resistor de derivación de corriente de dos terminales tiene tres resistencias en serie

Figura 2: Un resistor de derivación de corriente de dos terminales tiene tres resistencias en serie: la resistencia del resistor de derivación real, la resistencia de los dos conductores del resistor y la resistencia de los conductores o trayectorias en la placa de la PC que se conectan al resistor (no se muestra). Las resistencias de los conductores pueden causar errores de medición en mediciones de corriente alta. (Fuente de la imagen: Bourns)

Una forma de evitar los errores de medición introducidos por resistencias de los conductores extrañas es crear una conexión Kelvin ejecutando trayectorias de detección separadas al resistor de derivación de dos terminales (Figura 3).

Diagrama de la conexión Kelvin a un resistor de detección de corriente de dos terminales

Figura 3: Una conexión Kelvin a un resistor de detección de corriente de dos terminales reduce el error de medición causado por las resistencias de los conductores del resistor y la placa de circuito. Las imágenes de resistores de derivación de corriente de dos terminales aparecen en el lado derecho. (Fuente de la imagen: Bourns)

En esta configuración, las trayectorias grandes de la placa del circuito llevan la corriente dentro y fuera del resistor de derivación de corriente. Trayectorias mucho más pequeñas que no están en el flujo de corriente principal, pero que están colocadas lo más cerca posible del elemento de resistencia del resistor de derivación, eliminan el voltaje a través del resistor de derivación y transmiten ese voltaje al AFE. Separar los terminales portadores de corriente de los terminales de detección define la conexión Kelvin.

La representación esquemática resultante de una conexión Kelvin que usa un resistor de derivación de dos terminales se muestra en la Figura 4.

Diagrama de la conexión Kelvin a un resistor de derivación de dos terminales

Figura 4: Usar una conexión Kelvin para un resistor de derivación de dos terminales saca las líneas de detección de voltaje de la ruta de corriente principal, lo que resulta en una medición de voltaje más precisa a través del resistor de derivación. (Fuente de la imagen: Bourns)

Muy poca corriente fluye a través de las dos resistencias de detección que se muestran en la Figura 4 porque están conectadas a las entradas de alta impedancia de un amplificador o un ADC, lo que hace que su resistencia sea mucho menos crítica que los valores de resistencia de los conductores que llevan las altas corrientes hacia adentro y afuera del resistor de derivación. En consecuencia, las caídas de voltaje a través de las resistencias de detección son bastante pequeñas y no son una fuente de error significativa para la medición de corriente.

¿Dos terminales o cuatro?

Como se puede ver en el diagrama de diseño de la placa de la PC en la Figura 3, no es posible eliminar por completo las resistencias del conductor en un resistor de derivación de dos terminales, incluso cuando se utiliza una conexión Kelvin. Debe haber cierta tolerancia en el diseño del panel para adaptarse al error de posicionamiento cuando el resistor de derivación se coloca y se suelda en la placa del circuito.

Además, el TCR de las trayectorias de cobre de la placa de la PC (3900 ppm/ ̊C) es mucho más alto que el TCR del elemento resistivo del resistor de derivación (a menudo menos de 50 ppm/ ̊C). Estas diferencias paramétricas hacen que el cambio de resistencia en las trayectorias de la placa del circuito sea mucho más elevado que el cambio del resistor de detección de corriente, lo que hace que la dependencia de temperatura del circuito de detección sea alta.

Cuando se usa un resistor de derivación de dos terminales con una conexión Kelvin, el nivel de precisión puede no ser adecuado para muchas aplicaciones de detección de corriente donde están involucradas corrientes muy altas. Para tales aplicaciones, los fabricantes ofrecen resistores de derivación con cuatro terminales que implementan la conexión Kelvin dentro del resistor. Al incorporarla, el fabricante puede controlar completamente todas las tolerancias y los coeficientes de temperatura relacionados con la conexión Kelvin (Figura 5).

El diagrama del resistor de derivación de cuatro terminales implementa una conexión Kelvin de alta precisión

Figura 5: Un resistor de derivación de cuatro terminales implementa una conexión Kelvin de alta precisión con las conexiones de detección ubicadas muy cerca del resistor de derivación. Una imagen de ejemplo de un resistor de derivación de corriente de cuatro terminales aparece en el lado derecho. (Fuente de la imagen: Bourns)

Un resistor de detección de corriente de cuatro terminales que usa una conexión Kelvin tiene terminaciones separadas para el flujo alto de corriente a través del resistor y para la medición de voltaje, lo que ayuda a mejorar la precisión de la medición. Además, el uso de un resistor de derivación de cuatro terminales con una conexión Kelvin incorporada reduce los efectos del TCR al proporcionar una estabilidad de temperatura mejorada en comparación con un resistor de derivación de dos terminales que utiliza un diseño de la placa de circuito para implementar la conexión Kelvin.

Bourns ofrece varios resistores de derivación de cuatro terminales en su serie CSS4 de dispositivos de montaje en superficie (Figura 6).

Diagrama de los resistores de derivación de montaje en superficie CSS4 de Bourns

Figura 6: Los resistores de derivación de montaje en superficie CSS4 de Bourns utilizan una conexión Kelvin de cuatro terminales para maximizar la precisión de la medición de corriente. (Fuente de la imagen: Bourns)

Miembros representativos de la serie CSS4 de Bourns incluyen los resistores de derivación de 1 %, 5 vatios, 0.5 mΩ CSS4J-4026R-L500F y los resistores de derivación de 1 %, 4 vatios, 2 mΩ CSS4J-4026K-2L00F. Ambos dispositivos cuentan con un TCR bajo, una EMF térmica baja y un espacio físico inferior a 10 mm por 7 mm.

Conclusión

El primer paso para medir el flujo de corriente es convertir la corriente eléctrica a un parámetro de voltaje más fácil de medir. Los resistores de derivación de corriente son componentes económicos que realizan esta tarea. Sin embargo, como se muestra, el valor de un resistor de derivación debe ser bajo para minimizar su impacto en el circuito y para minimizar la disipación de potencia en el mismo resistor.

Otros parámetros importantes para los resistores de derivación actuales incluyen TCR y EMF térmica, los cuales pueden afectar significativamente la precisión de la medición de corriente.

Finalmente, para maximizar la precisión de la medición, es de vital importancia mantener la corriente alta que fluye a través del resistor de detección de corriente fuera de la trayectoria de detección, ya sea mediante el uso de un diseño de circuito impreso especial que crea una conexión Kelvin para un resistor de detección de corriente de dos terminales, o mediante el uso de un resistor de detección de corriente de cuatro terminales.

Debido a que un valor de resistencia bajo significa que el voltaje desarrollado a través del resistor de detección de corriente será pequeño, la Parte 2 de esta serie de artículos explicará las consideraciones para diseñar un AFE que amplifique el voltaje bajo a uno más grande, permitiendo que sea más fácil medirlo mediante un ADC.

Referencias:

  1. Pini, A. (2018). Seleccionar y aplicar amplificadores de detección de corriente de manera efectiva para administrar mejor la potencia. Biblioteca de artículos de Digi-Key.

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Acerca de este autor

Steve Leibson

Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.

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