Cómo las resistencias de detección de corriente permiten una medición y gestión precisas de la potencia

La demanda constante de mayor eficiencia y mejor gestión de la potencia requiere una medición de corriente precisa. Esta necesidad abarca diversas aplicaciones industriales y de consumo y electrónica de potencia, incluidos los sistemas de gestión de baterías (BMS), las fuentes de alimentación conmutada (SMPS) y los impulsores de motor.

Si bien hay varias formas de medir la corriente y así determinar la potencia, emplear una resistencia de detección de corriente (a menudo llamada resistencia de derivación) y un amplificador diferencial es una de las soluciones técnicamente más adecuadas y rentables.

Una resistencia de detección de corriente es mucho más que “simplemente otra resistencia” con el valor deseado. Para una detección precisa, debe tener una alta precisión absoluta, ofrecer un rendimiento de disipación superior para mayor confiabilidad, ser estable con respecto a los cambios de temperatura a pesar del autocalentamiento y los cambios de temperatura ambiente, y tener efectos mínimos de contacto termoeléctrico.

Para dimensionar la resistencia de detección, primero determine un valor de resistencia adecuado suponiendo una caída de voltaje máxima aceptable (V = IR) a través de la resistencia de detección de corriente con carga de corriente completa. Un buen punto de partida es un máximo nominal de alrededor de 100 milivoltios (mV), que suele ser un buen equilibrio entre factores como el rango dinámico, la sensibilidad, el ruido, el impedimento al flujo de corriente y el desperdicio de potencia debido a la disipación.

Luego, observe la corriente máxima a través de la resistencia para calcular su valor más alto, donde R = V/I. Esto equivale a 1 miliohmio (mΩ) o menos en muchos casos. Usando el valor de resistencia seleccionado y la corriente máxima, puede calcular la clasificación de disipación requerida para la resistencia usando la fórmula I²R.

La topología de la conexión es crítica

Igualmente importante es que la disposición de detección física debe minimizar cualquier error de medición de voltaje. Debido al valor de resistencia extremadamente bajo y la baja caída de voltaje, sutilezas como la resistencia de contacto entre las conexiones de corriente, los cables del sensor y la resistencia de detección se convierten en consideraciones importantes.

En la disposición básica de detección de voltaje de dos cables, los puntos de contacto en la resistencia para la ruta actual del flujo de corriente y la conexión de voltaje a la resistencia son los mismos (Figura 1, izquierda).

Figura 1: La detección a dos cables (izquierda) y la detección Kelvin a cuatro cables (derecha) tienen una diferencia pequeña, pero significativa en la conexión física de los puntos de contacto de corriente y voltaje; esta último minimiza los errores debidos a pérdidas en los cables. (Fuente de la imagen: Wikipedia, modificada por el autor)

Sin embargo, la aparente disposición a dos cables puede comprometer la precisión de la medición en los bajos niveles de voltaje a través de la resistencia. Para superar los errores relativamente pequeños, pero significativos inducidos por las conexiones de detección a dos cables, es común utilizar una disposición de detección Kelvin a cuatro cables (Figura 1, derecha).

Las conexiones de detección de voltaje y flujo de corriente son puntos de contacto independientes en esta topología. Aunque los esquemas de conexión eléctrica pueden parecer iguales, las implementaciones físicas son bastante diferentes.

Al separar los contactos de flujo de corriente y la ruta de los puntos de detección de voltaje, la detección a cuatro cables garantiza que una caída de voltaje a través de los cables conductores y los contactos de flujo de corriente no afectará la precisión de la medición. Esto es especialmente problemático cuando se realizan lecturas de precisión donde el valor de la resistencia de detección es aproximadamente el mismo que el de los cables utilizados para medirlo.

La detección a cuatro cables minimiza en gran medida este problema al mover los puntos de medición de voltaje inmediatamente adyacentes a la impedancia objetivo, evitando así cualquier caída de voltaje que pueda ocurrir en la ruta de alta corriente.

La tecnología de resistencia adecuada también es importante

Además de tener un valor de resistencia bajo de 1 mΩ o menos, la resistencia de detección debe tener un coeficiente de resistencia de temperatura (TCR) bajo para evitar la deriva causada por los cambios de temperatura ambiente y el autocalentamiento inducido por I²R. Como resultado, el diseño, los materiales y la fabricación de estas resistencias son tareas altamente especializadas.

La serie CSI de resistencias de derivación de tiras metálicas de Bourns, Inc. ayuda a los diseñadores a cumplir con estos requisitos. Los miembros de esta familia están disponibles en una amplia gama de combinaciones de valores de resistencia tan bajos como 0.2 mΩ y clasificaciones de disipación de potencia de hasta 15 vatios (continuos).

Las resistencias se fabrican con material resistivo soldado por haz de electrones (EBW) y aleación de cobre y están disponibles en opciones de dos y cuatro terminales. Los modelos de dos terminales se ofrecen en tres tamaños de espacio: 5930, 3920 y 2512. Los dispositivos de cuatro terminales están diseñados para una medición más precisa de la resistencia Kelvin a cuatro cables y vienen en un tamaño de espacio de 4026.

Su exclusivo elemento sensor de corriente de aleación metálica está diseñado explícitamente para el uso de resistencias de derivación, con baja fuerza electromotriz térmica (EMF) y TCR tan bajos como ±50 partes por millón por grado Celsius (ppm/°C) en el rango de temperatura de +20 °C a +60 °C.

Tenga en cuenta que se están utilizando algunos conocimientos contradictorios de la ciencia de los materiales para fabricar estas resistencias. Por lo general, no se desea cobre con alto TCR (alrededor de 3900 ppm/°C) en ningún componente con bajo TCR. Sin embargo, el cobre también tiene una excelente conductividad térmica, por lo que se mezcla cuidadosamente en el diseño de la resistencia para aumentar su rendimiento de manejo de potencia.

Un ejemplo representativo de una resistencia a dos cables en la serie CSI es la CSI2H-2512R-1L00J (Figura 2), una resistencia de 1 mΩ y 5 vatios con una tolerancia de ±5 % y un TCR de ±75 ppm/°C. Hay otras versiones disponibles con una tolerancia más estricta de ±2% e incluso 1%.

Figura 2: La CSI2H-2512R-1L00J es una resistencia de 1 mΩ y 5 vatios diseñada para detección a dos cables. (Fuente de la imagen: Bourns)

Esta resistencia está fabricada con material Tipo R de Bourns y presenta una autoinductancia extremadamente baja de menos de 2 nanohenrios (nH). La autoinductancia es un parámetro esencial pero que a menudo se pasa por alto y que puede resultar problemático si la resistencia está en un circuito de conmutación de alta velocidad.

Si necesita una detección Kelvin a cuatro cables, la resistencia de detección de corriente CSI4J-4026R-1L00F es un componente de 1 mΩ con potencia nominal de 8 vatios (Figura 3). Esta resistencia de ±1 % (también disponible en versiones de 2 % y 5 %) tiene un TCR de ±75 ppm/°C. La autoinductancia es inferior a 3 nH. Tenga en cuenta la configuración de contacto diferente; está diseñado para permitir la funcionalidad a cuatro cables.

Figura 3: Con sus puntos de conexión adicionales divididos, la CSI4J-4026R-1L00F de 1 mΩ está diseñada explícitamente para la detección de corriente Kelvin a cuatro cables. (Fuente de la imagen: Bourns)

Debido al impacto del TCR en la precisión de la resistencia de detección, las hojas de datos de estos componentes incluyen múltiples gráficos que muestran el cambio en la resistencia con respecto al rendimiento a 25 °C.

Conclusión

Las resistencias de detección pueden parecer componentes simples, pero son más profundas. Teniendo en cuenta lo que se espera que hagan y lo que deben ofrecer en su nicho de aplicación, descubrirá que tienen sutilezas y consideraciones que solo puede cumplir un proveedor con experiencia, conocimientos de materiales y conocimientos de fabricación, todo respaldado por una detallada hoja de datos.

Referencia

1: Maxim/Analog Devices, nota de aplicación 5761, “Lord Kelvin’s Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers”