一種使用分流電阻檢測電流的方法

近年來，對使用電流測量技術(shù)的具有多功能以及高安全性的電子電路的需求日益增加。我們將在本文介紹一種使用分流電阻檢測電流的方法，并實際運(yùn)行該電流檢測電路來查看其檢測效果。

測量電流值以保證電路安全運(yùn)行

目前，對多功能、高安全性設(shè)備的需求不斷增加，這些設(shè)備需要利用適用于其配置的更新的電子電路的電流測量技術(shù)。

例如，用于檢測過流和電路運(yùn)行異常并安全停止運(yùn)行的監(jiān)控電路，用于電池充電和電池容量檢測的功能電路，以及同樣非常重要的用于電機(jī)控制的電流監(jiān)控電路，因此電流監(jiān)控技術(shù)對于現(xiàn)代電路設(shè)計來說是必不可少的。

接下來我們將會介紹一種檢測電流的方法，并實際運(yùn)行該電流檢測電路來查看其效果。

電流檢測電路和分流電阻基礎(chǔ)知識

電流檢測用超低阻值貼片電阻（PMR）

電流檢測用超低阻值貼片電阻/長邊電極（PML）

您可能認(rèn)為電流檢測電路很復(fù)雜，但從原理上來說，其本身只是一個利用了“歐姆定律”的簡單電路，而歐姆定律是電子電路領(lǐng)域中非常基礎(chǔ)的理論知識。串聯(lián)一個用于電流檢測的電阻，通過歐姆定律將電阻的壓降轉(zhuǎn)換為電流值來實現(xiàn)電流檢測。

用于電流檢測的電阻稱為“分流電阻”

分流電阻是一種用于測量和檢測電流的電子元件。電阻值范圍為100μΩ 到幾百mΩ。理想情況下，您應(yīng)該使用阻值盡可能低的分流電阻，但在實際操作中，您應(yīng)根據(jù)運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和檢測目標(biāo)范圍來選擇合適的阻值。

而如果使用低阻值電阻，壓降量偏小，微控制器將會很難檢測到電壓，所以這時候應(yīng)該使用具有低輸入偏移電壓的高精度運(yùn)算放大器來對電流進(jìn)行檢測。

使用分流電阻和運(yùn)算放大器的電流檢測電路被稱為“電流檢測放大器”。

還有，分流電阻的“分流”指的是“避開，轉(zhuǎn)走”。最開始指的是并聯(lián)接入電阻，從而擴(kuò)大模擬電流表的測量范圍。最近將用于電流檢測的貼片電阻稱為分流電阻。雖然用法已經(jīng)發(fā)生了變化，但是這種名稱保持不變的現(xiàn)象也是很常見的。

將分流電阻連接至差分放大電路

從原理上來說，使用分流電阻的電流檢測電路是僅測量電壓的簡單電路。但是，由于分流電阻的壓降很小，所以需要制作可以高精度放大電壓的電路。因此，我們使用帶有運(yùn)算放大器的差分放大電路。

對于用于電流檢測的運(yùn)算放大器，請選擇使用具有低輸入偏移電壓的高精度運(yùn)算放大器。由于偏移電壓在檢測小電壓值時會造成測量誤差，因此請使用偏移電壓盡可能低的“高精度運(yùn)算放大器”，或可以自動調(diào)整輸入偏移電壓的“零漂移放大器”。

使用電流檢測電路檢測電路電流值

我們使用分流電阻和運(yùn)算放大器制作一個電流檢測電路，并查看該電路是如何檢測電流的。電流檢測電路如下：

圖為所要制作的電流檢測電路。差分放大電路檢測分流電阻的電壓，然后將其放大為15倍以上的電壓信號并輸出62mΩ貼片電阻用作分流電阻。可測量的最大電流值由貼片電阻的功率決定。我們目前使用的是1W的電阻，所以由W = I2R，1W ≒ 4A × 4A × 62mΩ，最后計算得出最大電流為4A。

ROHM電流檢測貼片電阻LRT18系列，62mΩ 1W貼片電阻

如果測量電流電路的放大倍數(shù)過大，會超過運(yùn)算放大器的工作電壓，所以需要根據(jù)估計的最大電流值調(diào)整放大倍數(shù)。我們本次設(shè)置的放大倍數(shù)為15倍，因此當(dāng)流過分流電阻的電流為最大值4A時，運(yùn)算放大器輸出電壓為3V。

ROHM運(yùn)算放大器LMR1802G-LB。是具有低噪聲、低輸入偏移電壓以及低輸入偏置電流的傳感器放大器

ROHM采用的是業(yè)界最低噪聲運(yùn)算放大器。

EMARMOUR “LMR1802G-LB”運(yùn)算放大器具有低輸入偏移電壓5uV（Typ），用于傳感設(shè)備。

安裝在通用板上的運(yùn)算放大器和分流電阻。因為在實驗環(huán)境中這些設(shè)備安裝在通用板上，所以易于焊接，但在實際電路設(shè)計中，會根據(jù)分流電阻技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D形設(shè)計。

既然電流是由分流電阻檢測的，現(xiàn)在就讓我們來探索一下如何使用連接在通用板上的簡單電路來檢測電流。

用示波器測量電壓值并觀察電流動向

將負(fù)載連接到完成的電流檢測電路中，并觀察檢測波形。把一個直流有刷電機(jī)連接到負(fù)載。如果可以成功檢測到電流，應(yīng)該就能夠檢測到在電機(jī)線圈切換時的電流波形以及施加負(fù)載后旋轉(zhuǎn)的變化情況了。

分流電阻與電機(jī)和電源串聯(lián)。電機(jī)工作電壓為5V。

電機(jī)空載電流為0.32A。運(yùn)算放大器輸出的波形有效值為202mV，計算得到檢測值為0.3A。示波器和探頭帶寬均為50MHz。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，您可以看到電流隨著換向器的切換而發(fā)生變化。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，分流電阻檢測到的電流值變化會以電壓信號變化的形式呈現(xiàn)出來。

如果將運(yùn)算放大器的電流檢測輸出連接到微控制器板，例如Arduino，就可以實時檢測電機(jī)電流，從而幫助您發(fā)現(xiàn)電機(jī)鎖定和線圈短路等異常情況。

如果能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行檢測，就可以在電路中添加多種功能，例如避免電機(jī)主體/驅(qū)動電路過載，以及檢測電機(jī)鎖定等。

通過改變分流電阻實現(xiàn)更高精度以及更大范圍的電流檢測

在實際使用電流檢測電路來保護(hù)電路時，會選擇阻值低、電流大（不超過分流電阻最大功率）的設(shè)備

我們使用通用貼片電阻，而現(xiàn)有的高性能分流電阻中，有可消耗高達(dá)5W功率值的大功率型號電阻，以及具有0.1mΩ超低電阻值的高精度分流電阻。您可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的分流電阻。

總結(jié)

這種使用分流電阻和運(yùn)算放大器來檢測電流的方法已被廣泛使用，因為該方法成本低、精度高且易于操作。但是，有時候添加一個電阻會對電路造成不利影響，所以該方法存在一個顯著缺點：不能用于高負(fù)載，因為在這種情況下分流電阻功率損耗過大。

從原理上來說，可以通過降低分流電阻的阻值來降低損耗，但是這樣的話分流電阻的壓降也會降低，檢測電壓會變得更加困難，因此要在選擇更小阻值的分流電阻和達(dá)到檢測精度之間進(jìn)行權(quán)衡。

特別是用于控制無刷電機(jī)和DCDC轉(zhuǎn)換器以及檢測電池剩余電量的電流檢測電路，需要大電流量和高檢測精度。因此，我們不僅需要使用小阻值分流電阻，還需要使用高精度運(yùn)算放大器。

在使用分流電阻進(jìn)行實際測量時，請基于所檢測負(fù)載的最大電流和應(yīng)用場景進(jìn)行考量。也就是說您需要估計所要檢測的最大電流以及需要的精度和能夠承受的損耗。還有很重要的一點是，在進(jìn)行電路設(shè)計和組件選擇時，您還需要考慮制造成本。

請注意，使用電流檢測電路來保護(hù)電路時，由于電流檢測電路本身只用于檢測電流，所以需要增加保護(hù)和控制功能。比如，您需要增加一個繼電器或一個負(fù)載開關(guān)才能切斷電路，同時，您還需要確定用于操作的程序或電路，以及在什么情況下啟用保護(hù)功能。

如果安裝了電流檢測電路，電路和控制會變得更復(fù)雜，閾值也會略微升高，但是該電路對于提高電子套件的安全性和功能性來說是必不可少的。

審核編輯 ：李倩