Come misurare la corrente elettrica

La misurazione della corrente diretta o con shunt elettrico si basa sulla legge di Ohm e per questo si potrebbe supporre che si tratti di un processo facile da gestire. In effetti è così, se si osservano alcune condizioni.

Il resistore di shunt è in serie con il carico del sistema e genera una tensione proporzionale alla corrente del carico (Fig. 1), che può essere misurata con un amplificatore di corrente come amplificatori di rilevamento della corrente, amplificatori operazionali, amplificatori differenziali o amplificatori per strumentazione. Questo è un metodo di misura invasiva della corrente, poiché il resistore di shunt e il circuito di misura sono collegati al sistema monitorato.

Il rilevamento diretto viene solitamente utilizzato quando non è necessario un isolamento galvanico. Di norma un resistore è utilizzato per correnti di carico inferiori a 100 A e tensioni inferiori a 100 V.

Fig. 1. Il resistore di shunt è in serie con il carico del sistema e genera una tensione che è proporzionale alla corrente del carico

Quale shunt elettrico utilizzare

Di seguito, indicheremo un fattore importante che influenza la scelta del resistore di shunt. Si tratta del calcolo del valore massimo del resistore per un’applicazione.

Il resistore di shunt o R_Shunt è il resistore attraverso il quale scorre la corrente di carico in un’applicazione di rilevamento della corrente elettrica. In base alla legge di Ohm, attraverso l’R_Shunt viene generata una tensione differenziale definita V_Shunt o V_Sense che viene poi misurata da un amplificatore di corrente differenziale.

La scelta del valore dell’R_Shunt si basa principalmente su due fattori: la precisione richiesta alla minima corrente di carico e la dissipazione di potenza alla massima corrente di carico, insieme alle dimensioni e al costo del resistore che ne derivano.

Per determinare l’errore minimo di un misuratore di corrente elettrica, in questo caso si considera solo l’errore di offset dell’amplificatore. Si tratta della principale fonte di errore con basse correnti di carico e con conseguenti basse tensioni di rilevamento. La Fig. 2 mostra a sinistra che l’errore di offset diminuisce all’aumentare di V_Sense.

Fig. 2. L’errore di offset diminuisce all’aumentare di V_Sense. (Immagine: Texas Instruments)

Maggiore è la caduta di tensione attraverso il resistore di shunt elettrico, più accurata è la misura che si può eseguire grazie al valore fisso di V_OS. In altre parole, quanto più il segnale d’ingresso diminuisce, tanto maggiore sarà l’incertezza dovuta a questo errore fisso dell’amplificatore di corrente interno.

Utilizzando un ipotetico amplificatore di rilevamento della corrente con V_OS uguale a 1 mV e una tensione di misura VSense di 1 mV, si ottiene un’incertezza di misura del 100%, come mostrato nel grafico e nel calcolo dell’errore di offset. Aumentando V_Sense fino a 10 mV, l’errore di misura si riduce significativamente al 10%. A corrente minima, quindi, il limite principale è dato dall’errore di offset.

Cosa succede a corrente massima? Sul lato sinistro della Fig. 3 è riportato un diagramma della dissipazione di potenza rispetto al resistore di shunt per una corrente di carico fissa (blu). La potenza dissipata nel resistore di shunt è il prodotto della tensione applicata a quest’ultimo per la corrente che lo attraversa o il prodotto del resistore di shunt per il quadrato della corrente che lo attraversa.

Fig. 3. C’è un compromesso tra l’aumentare al massimo la precisione a corrente minima e il ridurre al minimo la dissipazione di potenza a corrente massima (immagine Texas Instruments).

Aumentando il valore del resistore di shunt si aumenta la caduta di tensione differenziale attraverso il resistore, riducendo l’errore dovuto all’offset dell’amplificatore. Tuttavia, anche la dissipazione di potenza attraverso il resistore di shunt aumenta, il che può portare a problemi di calore, dimensioni e costi nell’applicazione.

C’è un compromesso tra l’aumentare al massimo la precisione a corrente minima e il ridurre al minimo la dissipazione di potenza a corrente massima. In un’applicazione con una corrente minima di 1 A e massima di 10 A, si utilizza un amplificatore di corrente con V_OS pari a 1 mV. La curva rossa nel diagramma della Fig. 3 mostra la variazione dell’errore di offset alla corrente minima rispetto al resistore di shunt per questa applicazione. La curva blu mostra la variazione della dissipazione di potenza alla corrente massima rispetto al resistore di shunt. L’aumento del valore del resistore di shunt migliora la precisione della corrente, ma aumenta anche la dissipazione di potenza. Diminuendo il valore del resistore si riducono i requisiti di dissipazione di potenza ma aumenta l’errore di misura.

Quindi, per trovare il valore ottimale per il resistore di shunt, è necessario considerare sia i requisiti di precisione dell’applicazione che la dissipazione di potenza ammissibile quando si sceglie il resistore.

Se per questa applicazione si sceglie un resistore di 5 milliohm, la dissipazione di potenza ad una corrente di carico massima di 10 A è di circa 0,5 W e l’errore ad una corrente di carico minima di 1 A è del 20%. Se si vuole migliorare l’errore minimo al 15%, si può scegliere invece un resistore di shunt di circa 6,6 milliohm.

Tuttavia, questa scelta comporta una dissipazione di circa 0,66 W a piena potenza. Se la dissipazione di potenza richiesta è più elevata, le dimensioni e il costo del resistore di shunt aumentano. Quindi è necessario scendere a un compromesso. In questo caso, il 5% di errore in meno in cambio del 32% di dissipazione in più e di un possibile aumento delle dimensioni e del costo del resistore.

Abbinare un resistore integrato ad un amplificatore di corrente per la progettazione del layout del PCB

L’uso di un amplificatore di rilevamento della corrente con un resistore di rilevamento della corrente elettrica integrato “semplifica” la scelta del resistore e il layout del PCB. I circuiti integrati INA250, INA253 e INA260 di Texas Instruments hanno un resistore di rilevamento della corrente integrato in un amplificatore sensibile alla corrente. I collegamenti al resistore di rilevamento della corrente sono ottimizzati per garantire la massima precisione di misurazione e stabilità della temperatura.

INA250 e INA253 sono amplificatori di rilevamento della corrente con uscita analogica, mentre INA260 è un sensore digitale che indica corrente, potenza e tensione attraverso un’interfaccia SMBus (System Management Bus).

Fig. 4. INA250 di Texas Instruments - Amplificatore di rilevamento della corrente con resistore di rilevamento della corrente integrato (immagine: Texas Instruments).

Misurazione della corrente mediante l’utilizzo di un sensore magnetico

La misurazione della corrente indiretta o magnetica si basa sulla legge di Ampere, secondo la quale, il campo magnetico indotto intorno a un filo è proporzionale alla corrente elettrica che attraversa quel filo. Posizionando un sensore magnetico (ad esempio un sensore Hall, Fig. 5) vicino al filo percorso da corrente, si genera una tensione attraverso il sensore che è proporzionale al campo magnetico rilevato dal sensore.

Questo metodo permette una misurazione non invasiva in cui il circuito di misurazione non è collegato elettricamente al sistema monitorato e risulta una scelta ottimale per misurazioni di corrente dinamiche o di alta tensione. In passato, la misurazione indiretta era generalmente usata solo per correnti di 100 A o superiori. I sensori erano relativamente costosi e non adatti a rilevare le correnti su un circuito stampato. Inoltre, era spesso richiesto un certo livello di progettazione, ad esempio l’uso di nuclei magnetici per attenuare o concentrare il flusso magnetico rilevato dal sensore. Tuttavia, i progressi della tecnologia e riduzioni dei prezzi hanno portato a dispositivi come i sensori di corrente magnetici integrati che sono relativamente poco costosi e adatti anche alle correnti più basse su un circuito stampato.

Fig. 5. Principio di funzionamento di un sensore Hall (immagine: Texas Instruments).

Come già menzionato, secondo la legge di Ampere il campo magnetico indotto intorno a un filo è proporzionale alla corrente elettrica che attraversa quel filo. Ma qual è la direzione delle linee del campo magnetico? Per determinarla si utilizza la regola della mano destra. Le linee di campo generate da un filo percorso da corrente formano delle circonferenze concentriche, perpendicolari al filo stesso. Puntando il pollice della mano destra verso l’alto nella direzione del flusso di corrente (da + a -), le dita seguono la stessa direzione delle linee del campo magnetico.

La direzione del campo magnetico è importante per i sensori di corrente magnetici perché questi componenti hanno un asse di sensibilità ben preciso. Se la direzione del flusso magnetico non coincide con il loro asse di sensibilità, non rileveranno il campo e non produrranno un output misurabile. Ad esempio, normalmente i sensori sono sensibili ai campi perpendicolari alla parte anteriore del loro involucro.

Esistono diverse applicazioni della misurazione della corrente magnetica che utilizzano tutte lo stesso principio fisico di base dettato dalla legge di Ampere di cui sopra. La differenza sta nell’integrazione meccanica e magnetica della soluzione: dove viene generato e misurato il campo rispetto al flusso di corrente? Le soluzioni possono approssimativamente essere suddivise in tre tipi a seconda dell’integrazione meccanica.

Rilevamento della corrente magnetica basato su modulo

Il rilevamento basato su modulo (Figura 6) utilizza di norma un toroide magnetico o un’altra forma geometrica per concentrare il campo magnetico generato dal filo percorso dalla corrente. Gli esempi più noti di questo concetto sono le cosiddette pinze amperometriche per multimetri.

Fig. 6. Il rilevamento basato su modulo concentra il campo magnetico. (Immagine: Texas Instruments)

Fig. 7. Pinza amperometrica ICMA1 RS PRO (immagine: RS Components)

Rilevamento della corrente magnetica mediante il rilevamento del campo circostante

Un’altra implementazione della misurazione della corrente magnetica è il rilevamento del campo circostante generato da una traccia PCB, una sbarra collettrice o un altro conduttore (Fig. 8). A tale scopo si utilizza un sensore Hall lineare ad una distanza meccanica fissa dal conduttore. Questa soluzione può anche utilizzare un concentratore magnetico o uno schermo per migliorare i livelli di segnale o ridurre gli effetti dei campi parassiti.

Fig. 8. Misurazione della corrente mediante rilevamento del campo magnetico circostante (immagine: Texas Instruments)

Rilevamento della corrente magnetica attraverso l’involucro del campo magnetico

Infine, il terzo tipo è il rilevamento della corrente magnetica nell’involucro (Fig. 9). Con questa tecnologia, la corrente da misurare scorre effettivamente attraverso l’involucro del componente e il campo magnetico generato dal flusso di corrente che attraversa il lead frame viene misurato internamente con un IC sensore isolato.

Fig. 9. Rilevamento magnetico della corrente nell’involucro (immagine: Texas Instruments)

Quali sono le sfide che l’uso di sensori di corrente magnetica comporta?

Per lo sviluppo di un modulo è richiesto un notevole lavoro di progettazione meccanica e magnetica. Ciò può essere un aspetto con cui i progettisti che normalmente lavorano nel campo elettrico non hanno una grande familiarità. Anche se un modulo può rappresentare una valida soluzione di rilevamento, la complessità e i costi associati alla sua progettazione lo rendono proibitivo in molte applicazioni.

I sensori ambientali sono influenzati dalla distanza dal campo magnetico generato dal conduttore di corrente e sia i tipi ambientali che in-package sono suscettibili a interferenze di campi magnetici parassiti, di altri materiali magnetici nel sistema e del layout del circuito stampato. I sensori di corrente magnetici integrati presentano anche altri aspetti critici unici, tra cui la natura finita della barriera di isolamento e i limiti termici delle loro capacità di rilevamento della corrente. Queste problematiche possono essere risolte ad esempio gestendo i campi di dispersione con l’uso di sensori differenziali o schermando il sensore.

Conclusioni

Come spiegato in precedenza, misurare la corrente attraverso la caduta di tensione sul resistore, pur sembrando semplice, può presentare qualche insidia. Conoscere queste “insidie” permette di evitarle ricorrendo a resistori di rilevamento con caratteristiche diverse in termini di errore di precisione, valore della resistenza e comportamento termico. Grazie all’ampia scelta di amplificatori di rilevamento esistenti è inoltre possibile trovare il tipo più adatto ad ogni problema di misurazione.

In passato, la misurazione della corrente magnetica era considerata un campo di attività riservato esclusivamente ai più esperti. Nel frattempo, sul mercato sono stati introdotti componenti standard con specifiche ben definite che rendono accessibile questa tecnologia.

Fonte: documentazione di Texas Instruments