Il rilevamento della corrente con i sensori

I progettisti di alimentatori, sistemi di gestione delle batterie e azionamenti motorizzati spesso si trovano davanti alla necessità di misurare con precisione la corrente. Il metodo più semplice è spesso l’utilizzo di un resistore di rilevamento della corrente. Con questo tipo di circuito, le prestazioni dipendono tanto da una buona progettazione, quanto da una corretta selezione dei componenti. Il progettista deve inoltre minimizzare i cali di tensione sul resistore e badare agli errori che possono derivare dal rilevamento di una bassa tensione. Il calore dissipato dal resistore e la sua capacità di sopportare correnti di picco sono altri fattori da tenere in considerazione. I dieci consigli presentati di seguito aiuteranno a gestire tutte queste problematiche.

Dieci consigli di progettazione

1. Scelta del miglior valore ohmico - La scelta del miglior valore ohmico è una questione di equilibrio. Se è troppo elevato verrà sprecata troppa potenza, si svilupperà un calore eccessivo e verranno perse le regolazioni della tensione. Se non è sufficientemente elevato, la tensione di rilevamento sarà bassa, quindi problemi di rumore e risoluzione limiteranno la precisione della misura. È possibile calcolare il valore ohmico ideale dal valore più basso della tensione di rilevamento coerente con un’accuratezza accettabile, diviso il valore inferiore della corrente nell’intervallo da misurare. A questo punto, è possibile scegliere il valore disponibile più vicino a questo valore ideale. I resistori di rilevamento della corrente sono spesso disponibili a valori interi di milliohm fino a 10 milliohm e a multipli di 5 milliohm, oltre ai valori E24 standard. 
2. Scelta della potenza corretta - Una volta determinato il valore ohmico, è possibile calcolare la potenza dissipata in condizioni operative con la formula P = I_rms².R. Prevedere un certo margine per sovraccarichi o condizioni non corrette e temperature elevate, se applicabile, e selezionare la potenza necessaria. Per molti prodotti di rilevamento della corrente, solo la temperatura massima dei giunti di saldatura limita la potenza nominale. La potenza nominale è quindi una funzione della progettazione e disposizione del Pcb, oltre che della selezione dei componenti. Può essere influenzata con l’utilizzo di un substrato termico come Dbc o Ims. Per esempio, l’LRMAP3920 di TT electronics ha una potenza nominale fino a 5 W su FR4, ma fino a 10 W con substrato termico. 
3. Selezione della tecnologia del resistore - Molti resistori di rilevamento della corrente rientrano nella tecnologia del metallo bluk. Ciò significa che l’elemento è un pezzo autoportante di lega metallica resistente. A sua volta, ciò offre il valore ohmico più basso disponibile, con le parti Smd che arrivano a frazioni di 1 milliohm. Il metallo bulk offre anche il vantaggio di una buona tolleranza ai picchi e un basso coefficiente di resistenza alla temperatura. Con valori di circa 100 milliohm e superiori, è necessario un substrato di supporto e le tecnologie risultanti di filo avvolto e lamina metallica offrono vantaggi simili. Per il rilevamento della corrente sono disponibili resistori con chip a film spesso, in grado di rilevare valori fino a pochi milliohm, e in grado di offrire un’ampia scelta di valori ohmici e bassissima impedenza termica interna. Tuttavia, il Tcr ai valori più bassi e le prestazioni in caso di picchi sono generalmente inferiori rispetto al metallo bulk. I resistori con chip a film sottile offrono un miglioramento nel Tcr, ma non devono essere utilizzati in circuiti dove possono verificarsi picchi di corrente. 
4. Ottimizzazione del design del Pcb - La progettazione delle tracce del Pcb intorno ai resistori di rilevamento della corrente è molto importante ai fini prestazionali. Devono infatti essere fornite 4 tracce, e non 2, per formare una connessione Kelvin, anche quando il componente è dotato di soli 2 terminali. Lo scopo è di minimizzare il percorso conduttivo condiviso tra il percorso della corrente e il loop di rilevamento, in grado di aumentare sia la tolleranza che il Tcr della parte montata. È possibile raggiungere questo scopo collegando le tracce della tensione di rilevamento ai bordi interni della saldatura. È inoltre possibile fare un passo in più e dividere la saldatura della tensione di rilevamento dalla saldatura del percorso della corrente, in modo che anche i giunti di saldatura vengano rimossi dal percorso condiviso. Utilizzando questo metodo è possibile avvicinarsi alla precisione di un vero resistore a 4 terminali. 
5. Gestione del calore - È importante comprendere come il calore viene rimosso e dove sarà diretto: può andare principalmente nel Pcb o principalmente nell’aria circostante. Un formato con chip piatto trasporterà il calore lungo i giunti di saldatura nelle tracce del Pcb. Ciò significa che la potenza nominale effettiva può essere aumentata apportando un’area aggiuntiva di rame intorno a entrambe le terminazioni e posizionando, se possibile, il resistore lontano da altri componenti che generano calore. Anche se è preferibile trasportare il calore verso l’aria, è necessario utilizzare parti con un’elevata impedenza termica interna. Un esempio è fornito dalla serie OARS-XP, in cui l’elemento è sollevato rispetto al Pcb. L’immagine termica mostra che i giunti di saldatura rimangono a circa 110 °C anche quando la temperatura supera i 200 °C. Questo formato minimizza il riscaldamento del Pcb e ottiene maggiori benefici dal raffreddamento ad aria condotta. 
6. Considerare i picchi di corrente - Spesso un progetto deve considerare elevati picchi di corrente, superiori rispetto alla corrente massima che deve essere misurata con precisione. Questi picchi possono comparire momentaneamente a causa delle condizioni di afflusso o di un ritardo tra lo stallo del motore e l’intervento della corrente di protezione. Se questa è una possibilità, il resistore di rilevamento della corrente deve prevedere un livello appropriato di tolleranza ai picchi. La miglior tecnologia per la tolleranza ai picchi è il metallo bulk. Ciò perché la capacità dell’energia dipende dalla capacità di temperatura dell’elemento resistivo, e sia la massa che la temperatura massima ammissibile sono relativamente elevati nel caso del metallo bulk. La capacità energetica è solitamente indicata nella scheda tecnica e generalmente dipende dal valore ohmico. La tecnologia a film spesso può offrire prestazioni buone in materia di picchi e, dove è specificato, come nel caso dell’LRF3W di TT, le prestazioni sono indicate nella scheda tecnica come grafico della potenza di picco massima in relazione alla durata del picco. In questo caso, le prestazioni relative ai picchi non dipendono dal valore ohmico. La tipologia a film sottile non è generalmente adatta ai picchi. 
7. Declassamento per alte temperature - Se la temperatura ambientale è superiore a quella nominale, deve essere applicato il declassamento, e ciò è indicato nella scheda tecnica. La temperatura ambientale è definita come la temperatura adottata dal corpo del resistore nelle condizioni di applicazione, a eccezione della dissipazione di potenza trascurabile che avviene nel resistore. Per quelli raffreddati ad aria, questa è la temperatura dell’aria circostante, mentre per i pacchetti con chip è la temperatura del Pcb. In alcuni casi, come in parti a elevata potenza come l’LRMAP3920, il grafico di declassamento viene tracciato relativamente alla temperatura sul terminale, piuttosto che alla temperatura ambiente. Ciò si calcola aggiungendo alla temperatura ambiente l’aumento di temperatura sui terminali. 
8. Comprensione dell’Emf termico - Quando si utilizza una derivazione in elemento metallico con alta dissipazione termica e bassa tensione di rilevamento, devono essere tenute in considerazione le tensioni termoelettriche. La giunzione tra un elemento metallico di resistenza e le terminazioni metalliche agisce come termocoppia, generando una tensione proporzionale alla differenza di temperatura presente. Un resistore di rilevamento in elemento metallico è quindi paragonabile a due termocoppie di seguito. Ciò significa che se le differenze di temperatura sono uguali in entrambi i giunti, la tensione di errore è annullata. È possibile raggiungere questo scopo rendendo il progetto termicamente simmetrico, ossia presentando entrambi i terminali a livelli simili di riscaldamento e mantenendo qualsiasi altra fonte di calore a distanza. Un ulteriore beneficio può essere ottenuto scegliendo una lega con Emf termico basso nei confronti del materiale della terminazione. Per esempio, un giunto tra leghe di rame e rame-manganese sviluppa solo 3 μV/°C, che è più di un ordine di grandezza inferiore rispetto alla lega rame-nickel. Un esempio di prodotto con basso Emf termico è l’LRMAM. 
9. Riduzione degli errori induttivi - La combinazione di un percorso della corrente elevato e una bassa tensione del segnale rende i circuiti con resistori di rilevamento della corrente vulnerabili agli errori induttivi che possono essere causati dall’autoinduttanza o dall’induttanza mutuale derivante dall’unione ad altri circuiti. L’autoinduttanza è importante per la misurazione delle frequenze elevate o di correnti a cambiamento rapido, ed è più bassa per le parti in metallo Smd con valori approssimativamente da 1 a 5 nH. Ma anche le parti a filo avvolto tendono a presentare valori inferiori a 50 nH per valori inferiori a 1 Ω. Per un controllo rapido dell’importanza di questo fattore, valutare per la frequenza più elevata, f, la magnitudine dell’impedenza induttiva |Z|=2πfL e controllare se il risultato è trascurabile quando comparato al valore ohmico. La seconda fonte di errore induttivo è dovuta al loop di rilevamento della tensione che collega campi magnetici in cambiamento. Per ridurre questo problema è necessario minimizzare l’area del loop contenuta dal resistore di rilevamento, le tracce di rilevamento della tensione e l’input del circuito di rilevamento. Ciò significa mantenere i componenti di rilevamento vicini ai resistori di rilevamento, facendo correre le tracce di rilevamento molto vicine. 
10. Combinazione di più resistori - I progettisti sono a volte forzati a utilizzare più resistori di rilevamento della corrente collegati in parallelo per soddisfare una potenza nominale o di picco più elevata o per un valore ohmico inferiore al livello minimo disponibile. Ciò è problematico, ma fattibile. I resistori possono essere collegati in parallelo con collegamenti di rilevamento della tensione realizzati verso un solo dei resistori, a patto che la disposizione delle tracce assicuri una distribuzione omogenea della corrente fra i resistori. Se non è possibile progettare una distribuzione omogenea della corrente, o se è necessario impiegare 4 resistori terminali, è possibile collegare i terminali di rilevamento di diversi resistori in 2 tracce comuni, una per polarità. Per prevenire che in queste connessioni passino correnti elevate, utilizzare un resistore di recupero in serie con ogni connessione, con almeno 1000 volte il valore del resistore di rilevamento della corrente.