Ngày 14/08/2021 10:25:45 / Lượt xem: 3007 / Người đăng: biendt / Tác giả: Lược dịch và tổng hợp

Cảm biến điện trở dòng (Rshunt) : Sự khác nhau giữa đặt đo ở bên thấp và bên cao?

Sự khác nhau giữa việc đặt cảm biến điện trở dòng điện (shunt) ở phía bên cao và bên thấp của tải là gì? Bài viết này giải thích cho chúng ta những điều cơ bản để lựa chọn phù hợp trong thiết kế sử dụng cảm biến điện trở dòng (shunt) cho đo dòng điện?

Nhiều ứng dụng thực tế như quản lý nguồn, nạp xả PIN, điều khiển động cơ, các mạch bảo vệ dòng điện...đều sử dụng cảm biến điện trở dòng (shunt). Có hai kiểu để mắc nối tiếp điện trở cảm biến dòng trong nối tiếp với tải là mắc ở bên phía cao của tải và bên phía thấp của tải.

Bài viết này chúng ta sẽ làm rõ hai cách thức này và thảo luận những ứu điểm và nhược điểm của chúng.

Cảm biến điện trở dòng (shunt) :

 Cảm biến điện trở dòng được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để đo dòng điện qua tải từ dòng điện nhỏ đến dòng trung bình. Nếu dòng điện lớn đến siêu lớn thì dùng biến dòng (CT). Với một điện trở Rshunt đã biết trước giá trị được mắc nối tiếp với tải và đo điện áp rơi trên điện trở Rshunt từ đó chúng ta xác định dòng điện qua tải.

Hình 1

Điện trở dòng này hay được gọi điện trở Shunt hay shunt. Nó thường có giá trị nhỏ cỡ Miliohm. Với những ứng dụng có dòng điện lớn thì giá trị của điện trở shunt có thể nhỏ hơn giá trị miliohm để giảm công suất tiêu tán của điện trở.

Hãy chú rằng với mỗi giá trị điện trở nhỏ, công suất tiêu tán của điện trở là một vấn đề. Đặc biệt đối với ứng dụng đo với dòng điện lớn. 

Một ví dụ đơn giản : R =  1mOhm và I = 100A. Khi đó Công suất tiêu tán của điện trở là :

P = R x I x I = 0.001 x 100 x 100 = 10W

Với giá trị điện trở Shunt nhỏ cũng dẫn tới điện áp rơi trên điện trở shunt cũng nhỏ. Do vậy cần một mạch khuếch đại để khuếch đại điện áp này để có giá trị đủ lớn cho các mạch xử lý tín hiệu.

Như vậy nếu cảm biến điện trở dòng đặt ở phía bên cao (trước tải) sẽ khó khăn phức tạp ở mạch khuếch đại do ảnh hưởng bởi hệ số nén tín hiệu chung CMRR : Common Mode Rejection Ratio

Cảm biến điện trở dòng : Mắc trước tải (phía cao) và mắc sau tải (phía thấp) : 

 Có hai cách mắc nối tiếp cảm biến điện trở dòng điện (shunt) với tải cần đo dòng. Hai cách này là mắc trước tải (phía cao) và mắc sau tải phía thấp như hình 2.

 Hình 2 : (a) Mắc ở phía sau tải và (b) mắc ở phía trước tải

Trong cấu hình mắc ở phía sau tải điện trở Rshunt được đặt ở giữa điểm nối đất của nguồn cung cấp và điểm đất của tải. Với cách thức mắc trước tải, điện trở Rshunt được đặt giữa vị trí dương của nguồn cung cấp và đầu vào của tải.

Ta lấy ví dụ cho rằng Rshunt = 1 mOhm và I = 100A. Với dòng điện I=100A thì điện áp rơi trên điện trở là 100 mV. Do hai cách mắc cùng chung giá trị điện áp rơi trên điện trở. Nhưng với mắc ở phía sau tải thì điện áp rơi này nhỏ và chỉ hơn một ít so với điểm đất. Còn với mắc ở phía trước tải thì điện áp lại cũng gần bằng với điện áp của nguồn cung cấp.

Với cách mắc cảm biến ở phía sau tải, một đầu Rshunt được nối với điểm 0 nên hệ số nén tín hiệu chung CMMR ở mức trung bình (tham khảo thêm đặc tính của Opams trong các tài liệu khác) và chúng ta có thể sử dụng các mạch khuếch đại đơn giản cho phương pháp này.

Hình 3 là sơ đồ nguyên lý đo dòng điện sử dụng với Rshunt được đặt phía sau tải

Hình 3

 Theo hình 3, một mạch khuếch đại không đảo dùng opams. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào giá trị của R1, R2. Chi tiết nguyên lý mạch khuếch đại như hình dưới

Hình 4

Công thức tính điện áp đầu ra như sau :

Mặt khác với Rshunt được mắc trước tải, thì bộ khuếch đại phải xử lý điện áp đầu vào khuếch đại lớn (~ điện áp nguồn ở đầu vào đảo và không đảo của Opams). Do đó cần phải một bộ khuếch đại vi sai chuyên dụng, có hệ số CMRR cao và hỗ trợ chế độ khuếch đại gần bằng với điện áp nguồn cung cấp.

Ví dụ như trong điều khiển động cơ 3 pha, khi sử dụng Rshunt mắc trước tải thì sẽ khó khăn cho bộ khuếch đại bởi vì một trong những khó khăn là điện áp cung cấp cho tải lớn hơn rất nhiều so với điện áp cung cấp cho bộ khuếch đại. 

Cách thức mắc Rshunt sau tải sẽ gặp vấn đề về phát sinh vòng lặp tiếp đất

Cách thức mắc Rshunt sau tải có thuận lợi về thiết kế mạch khuếch đại. Nhưng nó có một vài nhược điểm. Đo dòng điện phía sau tải cần phải đặt 1 điện trở (Rshunt) trên đường nối đất. Do đó điện áp đất của mạch sẽ lớn hơn điện áp đất của hệ thống (nguồn). Điều này sẽ trở vấn đề đối với một số mạch điện tương tự.

Vì điện áp đất của mạch và điện áp đất của hệ thống khác (nguồn) không giống nhau, nên có thể phát sinh vấn đề vòng lặp tiếp đất dẫn đến nhiễu ồn, gây nhiễu cho thiết bị khác. Do hạn chế này, Rshunt được mắc sau tải thường sử dụng trong ứng dụng tải không nhạy cảm với nhiễu đất và tải cách ly.

Cách thức mắc Rshunt sau tải không thể phát hiện được lỗi

Có một vài trường hợp lỗi mà mắc Rshunt sau tải không thể phát hiện. Hình 5 dưới là một trường hợp giữa nguồn điện của mạch và hệ thống tiếp đất.

Hình 5

Dòng điện Ishort được truyền trực tiếp từ điện áp nguồn tới hệ thống tiếp đất mà không thông qua Rshunt. Do đó mạch đo dòng điện sẽ không phát hiện được ra lỗi này.

Cảm biến dòng điện trở (Rshunt) cũng không thể phát hiện được dòng điện Ishort giữa mạch điện và hệ thống tiếp đất. Mô tả như hình 6.

Hình 6

 Tuy nhiên, với các mắc Rshunt ở phía trước tải thì có thể phát hiện được trường hợp Ishort này. Mô tả Hình 7.

Hình 7

Trong trường hợp này thì dòng điện Ishort đi Rshunt. Do đó mạch đo dòng điện có thể phát hiện trong tình trạng ngắn và cảnh báo hệ thống.

Cảm biến điện trở dòng mắc ở phía trước tải : Đơn giản hóa việc đấu dây

Một nhược điểm khác đối với cảm biến điện trở dòng mắc phía sau tải là cần có 2 dây để cấp nguồn cho mạch ngay khi có sẵn cả hệ thống tiếp đất. 

Ví dụ trong ứng dụng đo dòng điện của oto. Khung gầm xe đóng vai trò như một điểm đất nguồn chung. Do đó chung ta chỉ cần 1 dây duy nhất để cấp nguồn cho tải. Tuy nhiên nếu dòng điện được đo bằng cách thức Rshunt mắc phía sau tải thì hệ thống đất chung (khung gầm) không thể sử dụng và cần có 2 dây cho tải. Nhưng với Rshunt được mắc trước tải không bị hạn chế vì điều này, nên cách mắc đo này được dùng nhiều trên ứng dụng cho Oto.

 Kết luận :

Ưu điểm chính của Rshunt mắc sau tải là cấu hình đơn giản, mạch khuếch đại đơn giản. Tuy nhiên nó lại bị dễ nhiễu đất và không thể phát hiện dòng Ishort, lỗi. Do đó thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và sản phẩm chi phí thấp. 

Nguồn bài gốc : https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/resistive-current-sensing-low-side-versus-high-side-sensing/