Detección de corriente resistiva:detección de lado bajo frente a detección de lado alto

¿Cuál es la diferencia entre la detección de corriente resistiva de lado alto y lado bajo? Este artículo explica los conceptos básicos, así como cuándo cada uno es la opción de diseño más apropiada.

Muchas aplicaciones, como la administración de energía, la carga de la batería, el control de motores y la protección contra sobrecorriente, pueden beneficiarse de la detección de corriente resistiva. Hay dos opciones para colocar una resistencia de detección de corriente en serie con una carga:detección de corriente de lado bajo y lado alto.

En este artículo, analizaremos estos dos arreglos y discutiremos sus ventajas y desventajas básicas.

Detección de corriente resistiva

La detección de corriente resistiva se usa ampliamente en conjuntos de placas de circuito impreso cuando se trata de niveles de corriente bajos a moderados. Con esta técnica, una resistencia R conocida _derivación se coloca en serie con la carga y se mide el voltaje desarrollado a través de la resistencia para determinar la corriente de carga. Esto se ilustra en la Figura 1.

Figura 1

Las resistencias de detección de corriente, también llamadas resistencias en derivación o simplemente derivaciones, generalmente tienen valores en el rango de miliohmios. Para aplicaciones de muy alta corriente, el valor de la resistencia de derivación podría ser incluso fracciones de miliohmios para reducir la potencia disipada por la resistencia.

Tenga en cuenta que incluso con valores de resistencia pequeños, la disipación de potencia en derivación puede ser un problema, especialmente para aplicaciones de alta corriente. Por ejemplo, con R =1 mΩ e I =100 A, la potencia disipada por la resistencia de derivación es:

\ [P =R \ times I ^ 2 =0.001 \ times 100 ^ 2 =10 W \]

Un valor de resistencia pequeño también conduce a una pequeña caída de voltaje a través de la resistencia. Es por eso que se necesita un amplificador para convertir el pequeño voltaje desarrollado a través de la resistencia de derivación en un voltaje suficientemente grande adecuado para circuitos ascendentes.

Discutiremos que, en la detección de corriente de lado alto, el amplificador puede tener requisitos estrictos en términos de la especificación de la relación de rechazo de modo común (CMRR).

Detección de lado bajo y lado alto

Hay dos opciones para colocar una resistencia de derivación en serie con una carga. Estos dos arreglos se conocen como métodos de detección de corriente de lado bajo y lado alto y se muestran en la Figura 2.

Figura 2. (a) Detección de corriente de lado bajo y (b) técnicas de detección de corriente de lado alto.

En la configuración del lado bajo, la resistencia de detección de corriente (R _derivación ) se coloca entre el terminal de tierra de la fuente de alimentación y el terminal de tierra de la carga. Con el método del lado alto, la resistencia de derivación se coloca entre el terminal positivo de la fuente de alimentación y la entrada de alimentación de la carga.

Veamos cuáles son las ventajas y desventajas de cada método.

Detección del lado alto frente al lado bajo:el valor del modo común

Suponga que R _derivación =1 mΩ e I =100 A. Incluso con esta gran corriente, la caída de voltaje a través de la resistencia de derivación es de solo 100 mV. Por lo tanto, el valor de modo común del voltaje a través de una resistencia de derivación de lado bajo está solo ligeramente por encima del potencial de tierra. Y, para la configuración del lado alto, el nivel de voltaje en modo común a través de la resistencia de derivación está muy cerca del voltaje de suministro de carga.

Dado que el amplificador utilizado en la detección de corriente en el lado bajo se ocupa de un voltaje de modo común pequeño, no es necesario que tenga una relación de rechazo de modo común alto (CMRR). La relación de rechazo de modo común especifica cuánta atenuación exhibe un amplificador para una señal que es común a ambas entradas del amplificador. Dado que el valor de modo común es casi cero para una configuración de detección de corriente de lado bajo, el requisito de CMRR del amplificador se relaja significativamente y, en consecuencia, se pueden usar configuraciones de amplificador simples.

La Figura 3 muestra un amplificador básico que se puede utilizar en la detección de corriente en el lado bajo.

Figura 3

En este ejemplo, el amplificador consta de un amplificador operacional y dos resistencias de ajuste de ganancia R1 y R2. Tenga en cuenta que esta es en realidad la configuración no inversora de un amplificador operacional. El esquema más familiar de este amplificador se muestra a continuación:

Figura 4

La salida que es una versión amplificada de V _shunt se puede encontrar mediante la siguiente ecuación:

\ [V_ {out} =\ left (1 + \ frac {R_2} {R_1} \ right) V_ {in} =\ left (1 + \ frac {R_2} {R_1} \ derecha) V_ {shunt} \]

Por otro lado, un amplificador utilizado en la detección de corriente de lado alto debe lidiar con un voltaje de modo común grande. El amplificador debe tener un CMRR alto para evitar que la entrada grande de modo común aparezca en la salida. Es por eso que se necesitan configuraciones de amplificador especializadas para la detección de corriente en el lado alto. Estos amplificadores deben exhibir un CMRR alto y admitir un rango de modo común de entrada hasta el voltaje de suministro de carga.

Vale la pena mencionar que hay muchas aplicaciones de detección de corriente en el lado alto, como las aplicaciones de control de motores trifásicos, donde el voltaje de suministro de carga es mucho mayor que el voltaje de suministro utilizado para el amplificador. Por lo tanto, en una configuración de detección de lado alto, el modo común de entrada del amplificador generalmente necesita ser mucho mayor que su voltaje de suministro, un requisito que hace que el diseño del amplificador sea muy desafiante.

El método del lado bajo puede causar problemas de bucle de tierra

Aunque el método de detección del lado bajo simplifica el diseño del amplificador, tiene algunas desventajas. La medición de corriente del lado bajo coloca una resistencia adicional en la ruta de tierra. Por lo tanto, la tierra del circuito monitoreado tiene un potencial ligeramente más alto que la tierra del sistema. Esto puede convertirse en un problema para algunos circuitos analógicos.

Dado que la tierra del circuito monitoreado no tiene el mismo potencial que las otras cargas en el sistema, puede haber problemas de bucle de tierra que provoquen un ruido audible, como un zumbido, o incluso interferencias con equipos cercanos. Debido a esta limitación, la detección de corriente en el lado bajo se usa generalmente en aplicaciones donde tratamos con una carga aislada o la carga no es sensible al ruido de tierra. El control de motor sensible a los costos en aplicaciones como drones, taladros y sierras recíprocas generalmente emplea detección de lado bajo para poder competir en el mercado del consumidor.

El método del lado bajo no puede detectar la detección de fallas

Hay varias condiciones de falla que la detección de corriente del lado bajo no puede detectar. La Figura 5 muestra un ejemplo donde ocurre un corto entre la fuente de alimentación del circuito monitoreado y la tierra del sistema.

Figura 5

La corriente de falla, yo _corto , fluye desde el voltaje del bus directamente a la tierra del sistema y no pasa por la resistencia de derivación. Por lo tanto, el circuito del monitor actual no detectará esta condición de falla. La detección de corriente del lado bajo tampoco puede detectar un corto entre la tierra del circuito monitoreado y la tierra del sistema (Figura 6).

Figura 6

Sin embargo, la detección de corriente del lado alto puede detectar las condiciones de falla que ocurren aguas abajo de la resistencia de derivación. Esto se muestra en la Figura 7.

Figura 7

En este caso, la corriente de falla pasa por la resistencia de derivación. Por lo tanto, los circuitos de medición de corriente pueden detectar la condición de corto y activar la acción correctiva apropiada.

La detección de corriente en el lado alto puede simplificar el cableado

Otro inconveniente de la detección de corriente en el lado bajo es que se necesitan dos cables para alimentar el circuito monitoreado incluso si la tierra del sistema está disponible. Por ejemplo, en aplicaciones automotrices, el chasis del automóvil sirve como un terreno común. Con el chasis al nivel del suelo del sistema, solo necesitamos un solo cable para alimentar una carga. Sin embargo, si la corriente a través de la carga se monitorea mediante la técnica de medición del lado bajo, no se puede usar la tierra del sistema y se requieren dos cables para la carga. Dado que la técnica de detección del lado alto utiliza la tierra del sistema para la carga monitoreada, no sufre esta limitación. Es por eso que la detección del lado alto es más adecuada para aplicaciones automotrices.

En el próximo artículo, examinaremos el esquema de la Figura 3 con mayor detalle. Veremos que esta estructura también es susceptible a la resistencia de trazas de PCB y se puede realizar una medición más precisa mediante un amplificador diferencial.

Conclusión

La principal ventaja de la detección del lado bajo es que se pueden usar configuraciones relativamente simples para amplificar el voltaje a través de la resistencia de derivación. Sin embargo, la detección de corriente en el lado bajo es susceptible a perturbaciones en el suelo y no puede detectar condiciones de falla. La detección de corriente de lado bajo se usa generalmente en aplicaciones de control de motores sensibles a los costos que necesitan poder competir en el espacio del mercado de consumo.

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