小小的取樣電阻，確實(shí)有門道！

Pcbbar · 發(fā)表于 2020-2-8 18:41:57

一，電流檢測電阻的基本原理:

根據(jù)歐姆定律,當(dāng)被測電流流過電阻時(shí),電阻兩端的電壓與電流成正比.當(dāng)1W的電阻通過的電流為幾百毫安時(shí),這種設(shè)計(jì)是沒有問題的.然而如果電流達(dá)到10-20A,情況就完全不同,因?yàn)樵陔娮枭蠐p耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了.我們可以通過降低電阻阻值來降低功率損耗,但電阻兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)降低,所以基于取樣分辨率的考慮,電阻的阻值也不允許太低.

二，長期穩(wěn)定性

對于任何傳感器來說,長期穩(wěn)定性都非常重要.甚至在使用了一些年后,人們都希望還能維持早期的精度.這就意味著電阻材料在壽命周期內(nèi)一定要抗腐蝕,并且合金成分不能改變.要使測量元件滿足這些要求,可以使用同質(zhì)復(fù)合晶體組成的合金,通過退火和穩(wěn)定處理的生產(chǎn)制程,以達(dá)到基本熱力學(xué)狀態(tài).這樣的合金的穩(wěn)定性可以達(dá)到ppm/年的數(shù)量級,使其能用于標(biāo)準(zhǔn)電阻.

表面貼裝電阻在140℃下老化1000小時(shí)后阻值只有大約-0.2%的輕微漂移,這是由于生產(chǎn)過程中輕微變形而導(dǎo)致的晶格缺損造成的.阻值漂移很大程度上由高溫決定,因此在較低的溫度下比如+100℃,這種漂移實(shí)際是檢測不出來的.

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三，端子連接

在低阻值電阻中,端子的阻值和溫度系數(shù)的影響往往是不能忽略的,實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素,可以使用附加的取樣端子直接測量金屬材料兩端的電壓.

由電子束焊接的銅-錳鎳銅電阻實(shí)際上具有這樣低的端子阻值,通過合理的布線可以作為兩端子電阻使用而接近四端子連接的性能.但是在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意取樣電壓的信號連線不能直接連接取樣電阻的電流通道上,如果可能的話,最好能夠從取樣電阻下面連接到電流端子并設(shè)計(jì)成微帶線.

四，低阻值

四引線設(shè)計(jì)推薦用于大電流和低阻值應(yīng)用.通常的做法使用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器,但這不是最好的辦法.盡管四引線電阻有利于改進(jìn)溫度特性和熱電壓,但總阻值有時(shí)高出實(shí)際阻值2到3倍,這會(huì)導(dǎo)致難以接受的功率損耗和溫升.此外,電阻材料很難通過螺絲或焊接與銅連接,也會(huì)增加接觸電阻以及造成更大的損耗.

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康銅絲電阻

說到電流/電壓的采樣電路，就像上圖中萬用表中所使用的那樣，那么，什么是康銅絲電阻呢？

簡單地說，康銅絲電阻是選用高精密合金絲并經(jīng)過特殊工藝處理，其阻值低，精度高，溫度系數(shù)低，具有無電感，高過載能力。

正是因?yàn)榭点~絲具備以上這些優(yōu)良的電氣特性，所以它被廣泛用于通訊系統(tǒng)，電子整機(jī)，自動(dòng)化控制的電源等回路作限流，均流或取樣檢測電路連接等。

康銅絲具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍（500℃以下），加工性能良好，具有良好的焊接性能（這很重要�。�。

此外還有一種新康銅電阻合金，為銅鐵基同合金，它具有與康銅一樣的電阻率，基本相近似的電阻溫度系數(shù)，和相同的使用溫度。

錳銅絲電阻

錳銅絲電阻和康銅絲電阻一樣，同樣是選用精密合金絲經(jīng)過特殊工藝處理，使其阻值低，精度高，溫度系數(shù)低，穩(wěn)定性好；具有無電感，高過載能力。

錳銅絲電阻同樣被廣泛用于通訊系統(tǒng)，電子整機(jī)，自動(dòng)化控制的電源等回路作限流，均流或取樣檢測電路連接等。

看過描述我們發(fā)現(xiàn)，貌似錳銅絲和康銅絲其實(shí)差不多，二者的電阻率也相差不多。

采樣電阻誰更好？

兩種電阻的性能用途無本質(zhì)區(qū)別，但如果作為取樣電阻更趨向于錳銅絲電阻，它的穩(wěn)定性較好。

康銅絲電阻阻值從0.1毫歐至100毫歐之間，功率從1瓦至30瓦，產(chǎn)品精度最高可達(dá)0.5%。

錳銅絲電阻阻值從2毫歐至1歐之間，功率從1瓦至10瓦可選，精度為1%和5%。

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從這張表中我們得出結(jié)論：康銅的電阻溫度系數(shù)卻是錳銅的4倍以上；康銅對銅的熱電勢比錳銅的參數(shù)大20-40倍以上；另外由于康銅的鎳含量較高，所以在錫焊時(shí)，采用普通助焊劑的情況下，康銅不如錳銅易于焊接。

總體而言，二者均可用做制造精密電阻的材料，但各有優(yōu)勢：錳銅的精密級別更高；康銅還可用于一定精度的大功率電阻的制造。

簡單采樣電路的實(shí)現(xiàn)

簡約而不簡單的三個(gè)公式：R=U/I；既然是采樣電路，那么無非分為兩種實(shí)際的應(yīng)用，一種是電流采樣，另一種則是電壓采樣，有時(shí)這僅僅是兩種不同的叫法而已，實(shí)現(xiàn)方式則大同小異，只是特定的應(yīng)用中，需要得到的量不同罷了。即使這樣，根據(jù)不同的電路參數(shù)和需求，相應(yīng)的采樣電路也可能是大不相同，所以，我們在這里只說采樣電阻的應(yīng)用思路，不再講那些“枯燥”的電路原理。

對于普通愛好者來說，可能用到最多的，應(yīng)該是小電流或者小電壓的采樣，對于這種電路而言，通俗地說，要想使用采樣電阻實(shí)現(xiàn)電流或者電壓的采樣，常用的另外一種重要器件便是帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的芯片，必要時(shí)還需要先將被采樣電流或者電壓進(jìn)行放大，這里就用到了運(yùn)放等功能芯片。

如下圖：

是的，基本原理就是這樣的，通過將采樣電阻串接到電路中，由于采樣電阻的阻值非常小，所以基本上不會(huì)對原有電路造成影響，因?yàn)榱鬟^的電流會(huì)在采樣電阻上形成相應(yīng)的電壓，那么，只要把電路中的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后用ADC量化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號，我們就可以成功得到這個(gè)量值，從而實(shí)現(xiàn)采樣過程。

AD的差分與單端輸入

當(dāng)輸入電壓變化較大時(shí)，差分的兩條信號線之間的電壓差變化不大，而單端輸入的一條線的電壓變化時(shí)，GND不變，所以電壓差變化較大，綜上，差分輸入比單端輸入的抗干擾性強(qiáng)得多。

另外，差分輸入方式還可以有效抑制EMI，這是因?yàn)閮蓷l信號線極性相反，所以對外輻射的電磁場相互抵消，兩條信號線耦合越緊密，泄露到外界的電磁能量就越少。

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