Shunt rezistor je mnohem víc než „jen odpor“ s požadovanou hodnotou. Shunt rezistor musí vykazovat vysokou stabilitu a přesnost odporu v průběhu kolísání teploty způsobené jak samozahříváním, tak i kolísáním okolní teploty. Nejprve je vhodné určit hodnotu odporu za předpokladu přijatelného maximálního úbytku napětí (V = I*R) na rezistoru při plném proudovém zatížení. Dobrým výchozím bodem je nominální maximum okolo 100 mV. To je kompromis mezi dynamickým rozsahem, citlivostí, šumem a plýtváním energií. V mnoha případech se používá hodnota odporu 1 mΩ nebo méně. Pomocí zvolené hodnoty odporu a maximálního proudu lze vypočítat požadovanou hodnotu výkonových ztrát, který je schopen rezistor rozptýlit do okolí, a to dle vzorce I2R.
Topologie připojení
Stejně důležité jako jsou parametry rezistoru je také fyzické uspořádání snímání, aby se minimalizovaly chyby měření napětí. Vzhledem k extrémně nízké hodnotě odporu a nízkému úbytku napětí jsou důležité jakékoliv detaily připojení jako je například kontaktní odpor mezi proudovými spoji či vodiči a shunt rezistorem. V základním dvouvodičovém uspořádání jsou kontaktní připojovací body rezistoru pro tok proudu a připojení napětí k rezistoru stejné (obrázek 1, vlevo).
Obrázek 1: Dvouvodičové snímání (vlevo) a čtyřvodičové snímání (vpravo) mají malý, ale významný rozdíl ve fyzickém připojení kontaktních bodů proudu a napětí. Čtyřvodičové snímání minimalizuje chyby způsobené ztrátami v přívodních vodičích. (Zdroj obrázku: Wikipedie, upraveno autorem)
Dvouvodičové snímání může ohrozit přesnost měření při nízkých úrovních napětí na rezistoru. K překonání relativně malých, ale významných chyb způsobených dvouvodičovým připojením snímání je běžné používat čtyřvodičové uspořádání tzv. Kelvinova snímání (obrázek 1, vpravo). Kontakty pro tok proudu a pro snímání napětí jsou v této topologii nezávislými kontaktními body. Ačkoli schémata elektrického zapojení mohou vypadat stejně, fyzická implementace je zcela odlišné. Oddělením kontaktů toku proudu od bodů snímání napětí zajišťuje čtyřvodičové snímání. Pokles napětí na vodičích a kontaktech toku proudu neovlivní přesnost měření napětí. Toto je zvláště problematické při provádění přesných odečtů, kde je hodnota shunt rezistoru zhruba stejná jako u vodičů použitých k měření. Čtyřvodičové snímání tento problém značně minimalizuje oddělenými kontakty pro tok proudu a měření napětí.
Důležitá je také správná technologie rezistoru
Kromě nízké hodnoty odporu okolo 1 mΩ musí mít shunt rezistor také nízký teplotní koeficient odporu (TCR), aby se zabránilo driftu způsobenému změnami okolní teploty a samozahříváním vyvolaným výkonem I2R. Proto na trhu existují výrobci rezistorů, kteří se specializují pouze na shunt rezistory. Řada shunt rezistorů CSI s kovovým páskem od Bourns, Inc pomáhá splnit veškeré výše uvedené požadavky. Produkty této rodiny jsou k dispozici v široké škále kombinací hodnot odporu od 0,2 mΩ a jmenovitého ztrátového výkonu až 15 wattů.
Rezistory jsou vyráběny z odporového materiálu svařovaného elektronovým paprskem (EBW) a slitiny mědi a jsou k dispozici ve dvou a čtyř vodičových variantách. Varianta se dvěma svorkami je nabízena ve třech velikostech: 5930, 3920 a 2512. Varianta se čtyřmi svorkami je určena pro přesnější čtyřvodičové snímání a dodává se ve velikosti 4026. Materiál z čehož je shunt rezistor vyroben vykazuje nízkou tepelnou elektromotorickou sílu (EMF) a koeficient TCR se pohybuje v rozmezí ±50 ppm/°C při +20 °C v teplotním rozsahu do +60 °C. K výrobě těchto rezistorů se používá speciální příměs mědi, která je pečlivě přimíchána do konstrukce odporu. Měď má totiž vynikající tepelnou vodivost.
Reprezentativním příkladem dvouvodičového rezistoru v řadě CSI je CSI2H-2512R-1L00J (obrázek 2). Jedná se o rezistor s odporem 1 mΩ, výkonem 5 W s tolerancí ±5 % a TCR ±75 ppm/°C. Jiné verze jsou k dispozici s užší tolerancí ±2 % a dokonce i s 1 %.
Obrázek 2: CSI2H-2512R-1L00J je 1 mΩ, 5 W shunt rezistor určený pro dvouvodičové snímání. (Zdroj obrázku: Bourns)
Tento odpor je vyroben z materiálu Bourns Type R a vyznačuje se extrémně nízkou vlastní indukčností pod 2 nH. Vlastní indukčnost je základní, ale často přehlížený parametr, který může být problematický, pokud je rezistor použit ve vysokorychlostním spínacím obvodu.
Pokud potřebujeme využít čtyřvodičové snímání je k dispozici shunt rezistor CSI4J-4026R-1L00F o velikosti odporu 1 mΩ s jmenovitým výkonem 8 W (obrázek 3). Tento ±1% rezistor (také dostupný ve 2% a 5% verzi) má TCR ±75 ppm/°C. Vlastní indukčnost je pod 3 nH. Na obrázku je jasně patrná odlišnost připojení kontaktů, je navržen tak, aby umožňoval čtyřvodičové snímání.
Obrázek 3: Se svými extra oddělenými připojovacími body je 1 mΩ CSI4J-4026R-1L00F navržen výslovně pro čtyřvodičové snímání. (Zdroj obrázku: Bourns)
Kvůli vlivu TCR na přesnost shunt rezistoru obsahují datové listy pro tyto komponenty několik grafů znázorňujících změnu odporu s ohledem na výkon při 25 °C.
Závěr
Shunt rezistory se mohou zdát jako jednoduché součástky, ale není to tak. Vzhledem k tomu, co se od nich očekává a co musí poskytnout, je nutné při výběru dbát na jakýkoliv detail, který je popsán v příslušném datasheetu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
