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比照6种电流测量方法的优缺点

电流检测被用来执行两个基本的电路功能。首先,是测量“多大”电流在电路中流动,这个信息可以用于DC/DC电源中的电源管理,来判定基本的外围负载,来实

电流检测被用来履行两个根本的电路功用。首要,是丈量“多大”电流在电路中活动,这个信息能够用于DC/DC电源中的电源办理,来断定根本的外围负载,来完成节能。第二个功用是当电流“过大”或呈现毛病时,做出判别。假如电流超过了安全限值,满意软件或硬件互锁条件,就会宣布一个信号,把设备关掉,比方电机堵转或电池中发生短路的状况。因而有必要挑选一种能承受毛病进程中极点条件的鲁棒性规划的技能。选用恰当的元器材来履行丈量功用,不但能取得精确的电压信号,还能避免损坏印制电路板。

丈量办法

有各种不同的丈量办法能发生提示“多大”或“过大”的信号,如下:

电阻式(直接)

检流电阻。

磁(直接)

电流互感器;

罗氏线圈;

霍尔效应器材。

晶体管(直接)

RDS(ON);

比率式。

每种办法都有其长处,是有用的或可承受的电流丈量办法,但也各有利弊,这一点对运用的牢靠性至关重要。这些丈量办法可分为两类:直接的,或直接的。直接办法的意思是直接连到被测电路里,丈量元件会遭到线电压的影响,直接办法的丈量元件与线电压是阻隔的,在产品的安全性有要求时有必要选用直接办法。

电阻式

检流电阻

用电阻丈量电流是一种直接办法,长处是简略,线性度好。检流电阻与被测电流放在一个电路里,流经电阻的电流会使一小部分电能转化为热。这个能量转化进程发生了电压信号。除了简略易用和线性度好的特色,检流电阻的性价比也很好,温度系数(TCR)安稳,能够到达100 ppm/℃以下或0.01%/℃,不会受潜在的雪崩倍增或热失控的影响。还有,低阻(小于1mΩ)的金属合金检流电阻的抗浪涌才能十分好,在呈现短路和过流状况时,能完成牢靠的维护。

电流互感器

电流互感器(图1)有三个杰出长处:与线电压阻隔,无损丈量电流,大信号电压能很好地抵挡噪声。这种直接丈量电流的办法要求用到改变的电流,例如交流电,瞬变电流或开关式直流电,来发生一个磁耦合到次级绕组里的改变磁场。次级丈量电压能够依据在初级和次级绕组间的匝数比完成缩放。这种丈量办法被认为是“无损的”,因为电路电流经过铜绕组时的电阻损耗十分小。可是,如图2所示,因为负载电阻、芯损,以及初级和次级直流电阻的存在,互感器的损耗会导致失掉一小部分能量。

图1,抱负的电流互感器电路

图2,电流互感器损耗的组成

罗氏线圈

罗氏线圈(图3)类似于电流互感器,会在次级线圈内会感应发生一个电压,电压巨细与流经阻隔电感器的电流程正比。特别之处在于,罗氏线圈选用的是气芯规划,这一点与依靠层压钢等高磁导率铁芯和次级绕组磁耦合的电流互感器彻底不同。气芯规划的电感较小,有更快的信号响应和十分线性的信号电压。因为选用了这种规划,罗氏线圈经常被用在像手持电表这样的已有接线上,暂时性地丈量电流,能够认为是电流互感器的低本钱代替计划。

图3

霍尔效应

当一个带电流的导体被放进磁场里时(图4),在垂直于磁场和电流活动方向上会发生电位差。这个电位与电流巨细成正比。在没有磁场和电流流过期,就没有电位差。但如图5所示,当有磁场和电流流过期,电荷与磁场相互作用,引起电流散布发生改变,这样就发生了霍尔电压。

霍尔效应元件的长处是能丈量大电流,并且功率耗散小。但是,这种办法也有不少缺陷,约束其运用,例如要对非线性的温度漂移进行补偿;带宽有限;对小量程的电流进行丈量时,要求运用大偏置电压,这会引起差错;易受外部磁场的影响;对ESD灵敏;本钱高。

图4,霍尔效应原理,无磁场

图5,霍尔效应原理,有磁场

晶体管

RDS(ON) -漏极到源极的导通电阻

因为晶体管对电路规划来说是规范的操控器材,不需要电阻或耗费能量的器材来供给操控信号,因而晶体管被认为是没有能量丢失的过流勘探办法。晶体管数据表给出了漏极到源极的导通电阻(RDS(ON)),功率MOSFET的典型电阻一般在毫欧规模内。这个电阻由几部分组成,首要是连到半导体裸晶的引线(图6),这部分电阻影响了许多沟道特性。根据这个材料,流经MOSFET的电流能够用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)核算得出。

因为界面区域电阻的细小改变和TCR效应,RDS(ON)的每个组成部分都会形成丈量差错。经过丈量温度,及用由温度引起的电阻预期改变来修正被测电压,能够对TCR效应部分地加以补偿。许多时分,MOSFET的TCR会高达4000ppm/℃,相当于温度上升100℃,电阻的改变到达40%。一般来说,这种丈量办法的信号精度大约为10%~20%。从运用对精度的要求来看,关于供给过压维护来说,这个精度规模是能够承受的。

图6 ,N沟道增强型MOSFET的简化模型

比率式 – 电流检测MOSFET

MOSFET由不计其数个能下降导通电阻的并联的晶体管元胞构成。检流MOSFET运用一少部分并联元胞,连到共栅极和漏极,但源极是分隔的(图7)。这样就发生了第2个阻隔的晶体管,即“检测”晶体管。当晶体管导通时,流经检测晶体管的电流与流经其他元胞的主电流成必定份额。

精度公役的规模取决于详细的晶体管产品,低的到达5%,高的能够到达15%到20%。这种办法一般不适宜一般要求丈量精度到达1%的电流操控运用,但适宜过流和短路维护。

图 7

从上面的总结表能够看出,勘探电路中电流的办法有许多种,要依据运用特定的需求来挑选适宜的办法。每种办法均有其长处和短板,这些要素都要在规划中加以细心考量。

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