Singolo shunt con più amplificatori di rilevamento della corrente rispetto all'utilizzo di più shunt

Aug 25 2020

Vorrei trasformare un clone di Arduino in un misuratore di corrente che mi permetta di misurare l'assorbimento di potenza di un nodo sensore che ha modalità sleep e attive. La tensione di alimentazione del nodo del sensore è nel range 4-6V e durante lo sleep la corrente che sto cercando di misurare è nel range microamp a una cifra, mentre durante la trasmissione può assorbire fino a 150mA. Idealmente, dopo la calibrazione vorrei rimanere ben al di sotto dell'1% di errore nell'intervallo di misurazione.

Questo tipo di problema sembra sorgere occasionalmente. Qui e qui ci sono proposte per la commutazione attiva dei circuiti e ho visto riferimenti a un dispositivo chiamato uCurrent che richiede anche la commutazione manuale degli intervalli di rilevamento. Poi mi sono imbattuto in questa domanda in cui una risposta suggeriva di utilizzare shunt di valore diverso in serie per adattarsi ai diversi intervalli di rilevamento, che mi ha colpito come una soluzione elegante, anche se non ne so abbastanza per giudicare la soluzione rispetto a quanto suggerito in questa domanda , vale a dire utilizzare più amplificatori di rilevamento della corrente per misurare la caduta di tensione su un singolo shunt.

La mia domanda è: quali sono i pregi relativi dei due progetti (più shunt + diodi vs singolo shunt con più amplificatori)?

Per il mio caso d'uso ho trovato un numero di amplificatori di rilevamento attuali che sembrano adattarsi al conto:

  • intervallo di ingresso di modo comune oltre la tensione di alimentazione
  • tensioni di offset tipiche nell'intervallo μV a una cifra
  • errori di guadagno tipici inferiori allo 0,1%
  • guadagni fino a 1000

Se dovessi usare un singolo shunt, potrei usare amplificatori di rilevamento della corrente con guadagno 50 / 500x nella famiglia INA191 o 50 / 1000x nella famiglia INA21x ; collegando un amplificatore di rilevamento della corrente con guadagno 50x e 1000x a uno shunt da 0,2Ω, potrei usare due canali dell'ADC a 14 bit integrato nel mio clone di Arduino, misurando nell'intervallo 0-2V per campionare fino a 200mA con una precisione di 24μA e fino a 10 mA con precisione di 1,22 μA (supponendo 13 bit utilizzabili dal mio ADC a 14 bit).

Se dovessi usare due shunt, potrei scegliere due amplificatori di rilevamento della corrente identici, magari con guadagno 100x, e shunt appropriati come 0.1Ω e 10Ω. Mi chiedo anche se potrei voler aggiungere un diodo Zener per proteggere l'ADC dalle sovratensioni dallo shunt a resistenza più elevata.

Uno dei due progetti produrrebbe una maggiore precisione o mi consentirebbe di espandere notevolmente il mio intervallo di misurazione o sarebbe più semplice o affidabile da costruire? (modifica: ed entrambi sarebbero utilizzabili per la misurazione della corrente high-side, che a mio avviso è considerata una buona pratica e mi consentirebbe di riutilizzare il mio misuratore di corrente per più progetti?)

Mi scuso in anticipo se questo non è un buon confronto per qualche motivo; Sto ancora cercando di capire alcuni dei fondamenti. In tal caso gradirei suggerimenti a materiale pertinente.

Risposte

1 Neil_UK Aug 25 2020 at 01:17

L'approccio più semplice è un singolo shunt con un singolo amplificatore di guadagno commutabile. La possibilità di utilizzarlo dipende dalle circostanze specifiche.

Qual è la più grande resistenza di shunt che puoi usare alla massima corrente? Questo sarà limitato dalla caduta di tensione. Ad esempio, a 150 mA, un resistore da 1 Ω scende di 150 mV. Forse puoi tollerare di più?

Ora, con quel resistore di shunt, puoi specificare un amplificatore che ti dia sufficiente precisione (rumore, offset) alla corrente più bassa? La precisione dell'1% di 1 uA è 10 nA o 10 nV con la stessa resistenza di shunt.

Ci sono alcuni buoni amplificatori autozero disponibili ora, ma non ti porteranno a una risoluzione di ingresso di 10 nV sicura, potresti vedere offset nella regione μV. Mentre ti dirigi nella nV, gli errori compaiono ovunque, ad esempio gli effetti di Seebeck dai gradienti termici sulla scheda. Forse non è necessario l'1% di precisione nell'intervallo di corrente più basso. Forse puoi ridurre la larghezza di banda con filtri pesanti per migliorare la risoluzione alle correnti di sonno.

Non vedo molto utile usare più amplificatori, aspetto il dubbio vantaggio di non dover cambiare il loro guadagno. Meglio spendere i tuoi soldi per un amplificatore davvero buono e cambiare il suo guadagno.

Se non è possibile gestire la bassa corrente con un singolo resistore di shunt, sono necessari almeno due resistori di shunt, commutati da una qualche forma di interruttore FET o instradati automaticamente da diodi. Si noti che l'uso dei diodi darà una grande caduta di tensione variabile al variare della corrente di carico. Se riesci a tollerarlo, puoi tollerare un singolo shunt molto più grande?

Sono un grande fan dell'utilizzo di un diodo al silicio, o meglio ancora di un transistor di potenza collegato a diodo (poiché traccia una legge logaritmica in modo più fedele), per questo tipo di misurazione della corrente ad ampio raggio. Tuttavia, il requisito di precisione dell'1% è completamente al di là dell'uso di un diodo. Ora, se potresti essere soddisfatto di una precisione del 10%, allora diventa possibile.