在一些電子測量儀器、裝置或產(chǎn)品中,經(jīng)常有測量電路中直流電流的需要,因此研發(fā)人員開發(fā)出各種各樣的電流檢測集成電路.它是一種I/V轉(zhuǎn)換器,將測量的電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓,即V=kI,其中k為比例常數(shù).另外,在一些電子產(chǎn)品中要限制輸出電流,以防止有故障時(shí)(負(fù)載發(fā)生局部短路或輸出端短路、電源輸出電壓升高等)產(chǎn)生過流而造成更大損失.檢測到有過流發(fā)生時(shí),可以控制關(guān)斷電源或負(fù)載開關(guān),或以限制的電流輸出.
圖1
圖1是一種電流檢測電路.RS是電流檢測電阻,RL是負(fù)載(通常為直流電機(jī)、電磁閥或加熱器等).當(dāng)電流流過電流檢測電阻時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電壓降VRS,此電壓輸入電流檢測IC,經(jīng)放大器放大后輸出與電流I成比例的電壓V.為減小在RS上的電壓降VR,檢測電阻一般取很小阻值(幾毫歐到幾百毫歐).
圖2 過流保護(hù)的負(fù)載開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖
圖2是一種帶過流保護(hù)的負(fù)載開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖,圖2中,RL是負(fù)載,RS是電流檢測電阻.流過RS的電壓降VRS與電流I成比例,此電壓VRS輸入負(fù)載開關(guān)VI端.若內(nèi)部電流檢測電路檢測出有過流狀態(tài),輸出過流信號(電平信號)給通、斷控制電路,關(guān)斷負(fù)載開關(guān).一旦開關(guān)斷開,RS上電壓VRS=0,開關(guān)又接通,產(chǎn)生振蕩,如圖3所示.輸出電流將小于限制電流.更好的辦法是通過FLAG端輸出過流信號給μC,使μC輸出低電平給負(fù)載開關(guān)ON端,關(guān)斷負(fù)載開關(guān).圖2中未畫出μC及μC與負(fù)載開關(guān)的連線.
從圖1及圖2可看出:無論電流測量或電流限制控制電路都需要外接電流檢測電阻RS.RS的選擇是否正確及RS的質(zhì)量好壞,對電流測量精度有很大的影響.
電流檢測電阻的要求及特點(diǎn)
電流檢測電阻是隨電流測量、電流控制的要求開發(fā)出來的一種特殊電阻.電流的測量范圍很廣,從幾毫安到幾十安;測量的精度要求不同,電流檢測電阻也有不同的規(guī)格以滿足不同的需要.本文主要介紹高精度電流檢測電阻,其主要要求及特點(diǎn)如下.
表1 LR2512與CS1225的主要性能參數(shù)
1.RS的阻值小于10Ω
為減少在RS上的電壓降及減小在RS上的功率損耗,RS的阻值要求小.一般在大電流測量時(shí)(幾安到幾十安)要采用毫歐級的RS.例如,檢測電流為12A,若RS=0.1Ω(100mΩ),則在RS上的壓降VRS=1.2V,其功耗為14.4W.如果電源電壓為12V,則在負(fù)載上的工作電壓已降到10.8V;并且在檢測電阻RS上的損耗也太大.若采用5mΩ的RS,則RS上的壓降減小到0.075V,其功耗減少為 0.72W.測量電流小時(shí)(如幾十毫安到幾百毫安),RS值可取零點(diǎn)幾歐姆到幾歐姆.所以電流檢測電阻RS的阻值是小于10Ω的.目前已開發(fā)出超小阻值的系列,有1mΩ、0.5mΩ、及0.25mΩ系列的電流檢測電阻.
圖3 內(nèi)部電流檢測電路產(chǎn)生振蕩
2.四引線結(jié)構(gòu)
當(dāng)電流檢測電阻值已小到幾毫歐時(shí),其引線的電阻造成的誤差則不能忽略,為此開發(fā)出四引線結(jié)構(gòu),如圖4所示.接近電阻根部的兩引線為測量VRS端,另兩根引線為電流的通路.在電阻根部測量RS上的電壓(消除了引線電阻的測量誤差)是精密測量方法,也稱為凱爾文(Kelvin)測量法.
圖4 四引線結(jié)構(gòu)
3.RS的允差要求小
為保證電流測量的精度,RS的允差要求小.一般精密電阻的允差可達(dá)±0.01%,但電流檢測電阻值很小時(shí)(如RS=2mΩ),其允差達(dá)不到±1%,目前其允差可做到±0.5%.一般允差為±0.5%~±5%.
圖5 70℃時(shí)降功耗使用
4.溫度系數(shù)(TCR)要求小
在測量大電流時(shí),RS的功耗可達(dá)1W以上,自身會發(fā)熱,若Rs自身溫度系數(shù)大,則電阻值發(fā)生變化而引起測量誤差.另外,環(huán)境溫度TA也會影響Rs的阻值變化,所以要求RS的溫度系數(shù)小.目前典型的電流檢測電阻的TCR為 ±1~±15×10-6/℃(在TA=0~60℃時(shí),RS<1Ω).除要求其TCR小外,還要求有長期穩(wěn)定性.
5.額定功率大
為滿足大電流的測量,其額定功率一般為1~3W,某些功率電流檢測電阻在加散熱片的條件下可達(dá)10W(允許測更大的電流).
表2 LR的外廓尺寸及焊盤尺寸-允差
6.允許環(huán)境溫度(TA)寬
電流檢測電阻的工作溫度范圍寬,一般為-55~+125℃.有一些可達(dá)150℃.但大部分RS在25℃后要降功耗使用,個(gè)別的RS可在70℃后才降功耗使用.例如,某電流檢測電阻在25℃時(shí)的額定功耗為1W,在100℃的工作溫度時(shí),其允許的功耗已降到50%即0.5W;若在150℃工作溫度條件下,則允許功耗降到20%即0.2W.這一點(diǎn)在實(shí)際使用時(shí)十分重要.
表3 幾種典型的電流檢測電阻
7.熱電動(dòng)勢要小
典型值為0.05 μV/℃.
典型的電流檢測電阻
電流檢測電阻的生產(chǎn)廠家很多,同一生產(chǎn)廠家也會生產(chǎn)出幾種或幾十種不同的電流檢測電阻(如不同的電流測量范圍、不同的精度、不同的封裝等).這里介紹KAT公司的高精電流檢測電阻LR系列和CS系列及一些同類產(chǎn)品.
1.主要特點(diǎn)
LR系列高精度電流檢測電阻的主要特點(diǎn):
①溫度系數(shù)最大值為±15×10-6/℃;
②額定功率為1~4W;
③阻值允差±0.5%-5%;
④阻值范圍0.25 mΩ~420mΩ;
⑤最大檢測電流可達(dá)80A
;⑥貼片式元件(SMD);
⑦四端精密凱爾文結(jié)構(gòu),提高測量精度;
⑧有無鉛產(chǎn)品;
⑨工作溫度范圍-55~+155℃.
2.主要性能參數(shù)
LR與CS系列的主要性能參數(shù)如表1所示.
在工作溫度(環(huán)境溫度TA下)大于70℃時(shí),要降功耗使用,如圖5所示.
3.尺寸及焊盤尺寸
該系列電流檢測電阻的外廓尺寸及焊盤尺寸如表2所示.
德國伊薩(ISABLLENHUETTE)
這里再介紹一些其他同類產(chǎn)品,德國伊薩(ISABLLENHUETTE)始創(chuàng)與1482年的德國伊薩拜棱輝特(ISABLLENHUETTE)公司,在金屬合金的制造加工和處理方面,有著長達(dá)500年的歷史和經(jīng)驗(yàn),1889年在全球最早研制出錳鎳銅電阻合金,1978年生產(chǎn)世界第一個(gè)表面貼裝豪歐電阻器,至今仍保持該技術(shù)的領(lǐng)先地位.現(xiàn)在伊薩拜棱輝特(ISABELLENHUETTE)公司已經(jīng)成為世界上最主要的電阻用合金材料和最先進(jìn)的緊密微阻值電阻制造廠商.
低溫度系數(shù)、地?zé)犭妱?dòng)勢、良好的長期穩(wěn)定性、低寄生電感,高脈沖負(fù)載能力等是對用于電流檢測的精密電阻的基恩要求其中部分特征取決于電阻材料,部分特性則由設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝決定.伊薩拜棱輝特((ISABELLENHUETTE)的產(chǎn)品采用兩種上產(chǎn)技術(shù),ISA-WELD(高能電子束焊接銅maganin銅的技術(shù)).
PCB及散熱安裝產(chǎn)品
應(yīng)用領(lǐng)域
電流檢測電阻的應(yīng)用領(lǐng)域極廣.主要應(yīng)用與工業(yè)、消費(fèi)類、汽車、通信、醫(yī)療、儀器及軍用/航空和航天.這方面的應(yīng)用如表4所示.
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