Autor: Jerry Steele, Microchip Technology
Ventajas e inconvenientes de usar las pistas de cobre como shunts de corriente
Cuando la detección de corriente es uno de los requisitos, los diseñadores suelen pensar primero en resistencias especialmente diseñadas para esta función. Sin embargo, en ocasiones existe la posibilidad de detectar la corriente en una pista de la placa de circuito impreso.
Las resistencias de detección de corriente o shunts (derivaciones) de corriente son necesarias para detectar la corriente con exactitud en una carga. Estas resistencias o shunts de corriente se colocan en serie con la carga y la tensión es proporcional a la corriente que atraviesa el shunt. En aplicaciones de alta corriente, estas resistencias pueden ser grandes y disipar una potencia considerable en forma de calor. Estas condiciones sugieren que usar una pista de cobre existente en una placa de circuito impreso puede aportar una solución. Entre los problemas que conlleva el uso de un shunt en una pista de cobre se encuentra el coeficiente de temperatura de la resistencia de +0,39%/°C, que disminuye la exactitud respecto a la temperatura.
La utilización de la pista de cobre como shunt presenta algunas dificultades, principalmente que la resistencia del cobre es muy baja por lo que la tensión de la señal será tan pequeña que necesitará una amplificación relativamente complicada o bien que la longitud de la resistencia pueda aumentar el coste debido a la superficie que ocupa en la placa. Esta superficie también depende las tolerancias de la resistencia. Si bien una resistencia estrecha podría acortar la longitud y por tanto la superficie, las tolerancias de grabado de la placa suelen establecer una anchura mínima de 0,015 a 0,025 pulgadas (0,38 a 0,64 mm). Otra dificultad es el coeficiente de temperatura del cobre de +0,39%/°C, el cual provoca que la caída de tensión para una corriente determinada se incremente un 20% por cada aumento de la temperatura de 50°C. Obsérvese también que las tolerancias dimensionales afectan directamente al valor de la resistencia. El control del borde en el proceso de grabado de la placa suele definir la mínima anchura aceptable.
Un método para detección exacta de corriente en la pista de cobre
El método para resolver el problema del coeficiente de temperatura que se expondrá a continuación se basa en las técnicas de los diseñadores de circuitos integrados y aprovecha la proporción geométrica para obtener una ganancia del circuito en lugar de utilizar valores absolutos. Pero este método tampoco está exento de dificultades pues las caídas de tensión serán extremadamente bajas, a menudo inferiores a 10 mV. Afortunadamente, los modernos amplificadores operacionales con deriva cero (puesto a cero automático o chopper) proporcionan una solución para el problema de la baja caída de tensión. Como veremos, sigue habiendo algunas limitaciones para obtener la exactitud inicial, aunque una vez calibrado el método puede ser muy exacto.
La idea consiste en crear dos resistencias con una proporción geométrica que definirá nuestra ganancia. Pensemos, por ejemplo, en una vía de alta corriente (llamémosla RSHUNT) con las siguientes dimensiones (normalizadas): Longitud (L)=1, Anchura (W)=10. En el elemento que establece la ganancia (RG) se crea otra estructura con L=10 y W=1. Esto ofrece una proporción dimensional, y por tanto para la resistencia, de 100:1. Como la función de la resistencia de ganancia es compensar la temperatura en la vía de RSHUNT para una corriente elevada, se debería colocar de forma simétrica y cerca del elemento RSHUNT. La Figura 2 muestra un dibujo conceptual de la proporción entre una resistencia que fija la ganancia en una pista de la placa de cobre y un shunt de la placa de cobre para minimizar los errores iniciales y los errores respecto a la temperatura. La ubicación de las resistencias aprovecha las proporciones y la interdigitación.
En los ensayos iniciales del concepto se utilizó un circuito básico tal como muestra el esquema simplificado de la Fig. 1. El amplificador operacional controla un MOSFET que suministra la corriente de realimentación necesaria a través de la resistencia de ganancia, así como una tensión proporcional a la corriente medida. Se trata de un circuito básico diseñado para detección en el lado de bajo potencial (“low-side”) donde un terminal del shunt de corriente está conectado a tierra y la salida del amplificador tiene la tierra como referencia. Obsérvese que este circuito requiere un amplificador operacional con un offset de entrada extremadamente bajo como el proporcionado por los amplificadores de deriva cero (el MCP6V76 de Microchip es un amplificador de deriva cero con un offset máximo de entrada de 25µV).
En el esquema simplificado, la corriente que atraviesa R3 y RG siempre es una función de la corriente de entrada y la proporción de las resistencias RSHUNT y RG. Sólo se necesita que los valores reales de RSHUNT y RG tengan un valor total de modo que la corriente se ciña al rango de corriente que admite el MOSFET T1. La proporción entre RSHUNT y RG se puede calcular así:
Esta corriente establece una proporción en la cual la corriente de salida es una fracción de la corriente de entrada que depende de su proporción geométrica. La tensión en la parte superior de R3 se usa como salida y se puede variar para ajustar la ganancia a cualquier valor deseado. Las Figuras 2 y 3 ofrecen un ejemplo de placa de circuito con RSHUNT y RG con el circuito de detección de corriente en el lado de bajo potencial.
Figura 1. Circuito básico para detección de corriente en el lado de bajo potencial mediante un shunt de la pista de la placa de cobre con compensación de temperatura.
Figura 2. Diseño del shunt y las pistas con la resistencia de ganancia.
Figura 3. Vista ampliada de la placa de prueba con una moneda de un cuarto de dólar para indicar el tamaño real. La pista de TP6 a TP7 es RSHUNT y la pista de TP6 a TP8 es RG. La parte cubierta por la moneda es una duplicación no utilizada del circuito.
Medidas obtenidas
El circuito de la Fig. 1 está destinado a la detección en el lado de bajo potencial con el fin de demostrar de manera sencilla la compensación de la pista de cobre. No se destinaron esfuerzos para lograr una exactitud absoluta y los valores se normalizaron para las medidas en la tabla.
En una placa de prueba basada en el amplificador operacional MCP6V76 de Microchip se registraron los siguientes valores para una deriva de temperatura de 25°C a 125°C. Los errores fueron planos hasta más de 100°C y gran parte del error a 125°C se puede atribuir a la deriva en otros componentes como la resistencia de ganancia convencional y el amplificador:
Detección de corriente en el lado de alto potencial
La detección en el lado de alto potencial se puede basar en el conocido circuito de control de corriente mostrado en la Figura 4.
Figura 4. Circuito de detección de corriente mediante control de corriente.
El circuito de control de corriente se adapta fácilmente al método de compensación de pista en el que RCUSHUNT y RCUGAIN1 son las pistas de la placa de circuito impreso. RG es una resistencia convencional para establecer el nivel de ganancia deseado. Z1 es un regulador de tensión Zener rail-to-rail para el amplificador operacional. D1 protege la entrada en el caso de que la carga se cortocircuite. Se puede encontrar información más detallada sobre este circuito en la Referencia 1.
Valore la detección de corriente mediante shunt
Al implementar la detección de corriente en las pistas de la placa de circuito impreso pronto se descubre por qué se inventaron las resistencias. El espacio necesario en la placa para una detección exacta mediante la pista siempre será bastante más grande que con un shunt. Hay que tener en cuenta que los offsets de los mejores amplificadores son del orden de 5 a 10 µV y la exactitud empieza a ser aceptable con caídas de tensión que están un orden de magnitud por encima. Cuando se han valorado todos los factores se observa que la solución de menor tamaño es la basada en la resistencia de shunt. El ejemplo mostrado en la Figura 5 ilustra la sencillez que ofrece recurrir a resistencias de shunt y amplificadores para detección de corriente. El shunt proporciona una resistencia precisa y un bajo coeficiente de temperatura. Los amplificadores modernos para detección de corriente con deriva cero y bajo offset disminuyen la caída de tensión en el shunt, lo cual mejora la eficiencia y a menudo permite que los shunts sean más pequeños gracias a su menor potencia disipada. De esta forma es más sencillo obtener circuitos unidireccionales y bidireccionales.
Figura 5. Circuito amplificador para detección de corriente basado en el amplificador detector de corriente MCP6C02-100 de Microchip.
Jerry Steele tiene más 30 años de experiencia en electrónica analógica y de potencia. Ha trabajado en Apex, National Semiconductor, TI y ON Semiconductor desempeñando diversos puestos, desde Ingeniero de Aplicaciones hasta Ingeniero de Desarrollo Estratégico. En la actualidad es Ingeniero de Validación en Microchip.
Referencias
