Stromerfassungswiderstand mit Leiterplattenspuren

Ich möchte beim Kauf eines Messwiderstands sparen und nur die Leiterplatten verwenden. Ich muss bis zu 2,5 A erfassen und wollte die Leiterbahn so gestalten, dass sie einen Widerstand von 0,1 Ohm hat. Ist das ein guter Ansatz? Kann jemand die Berechnungen darüber teilen, wie die Spurlänge und -breite unter der Annahme einer Kupferdicke von 1 Unze bestimmt werden kann?

Die beiden Hauptnachteile hängen mit der Genauigkeit zusammen: Anfangstoleranz und Temperaturkoeffizient.

Anfangstoleranz

Leiterplatten werden mit losen Toleranzen hergestellt. Die Kupferdicke ist nominal und nicht genau gesteuert. Auch die Ätzbreite unterliegt großen Schwankungen. Mit etwas Glück können Sie zunächst eine Querschnittsgenauigkeit von 20% erreichen, wenn Sie dies nicht tun, viel schlimmer.

Temperaturkoeffizient (Tempco)

Reine Metalle haben eine steile Temperatur, Kupfer beträgt 0,4% / C. Dies entspricht einer Widerstandsänderung von 10% bei einer Temperaturänderung von 25 ° C. Widerstände bestehen aus Legierungen, die für eine Temperatur nahe Null ausgelegt sind.

Zum Erkennen, ob ein Strom fließt oder nicht, oder vielleicht sogar für das Stromerfassungselement in einem stromgesteuerten Wandler, der sich innerhalb einer Rückkopplungsschleife befindet, ist dies möglicherweise in Ordnung. Verwenden Sie einen diskreten Strom-Shunt-Widerstand, um alles mit einem Anschein von Genauigkeit zu messen.

Ein diskreter Widerstand hat eine viel höhere Belastbarkeit als eine Spur. Und wenn Sie es katastrophal überladen sollten, kann es ersetzt werden, während der Verlust eines Tracks das Board zerstören würde.

Lassen Sie mich zunächst sagen, dass ich allen bereits gegebenen Antworten zustimme. Mit einer einfachen Änderung der Anforderungen ist diese Lösung jedoch möglicherweise nicht so empörend, wie es sich anhört.

Die vom Autor angegebenen Entwurfsparameter werden in 0,25 V Abfall und 0,6 W Leistungsverlust aufgelöst. Dies ist viel zu viel, wenn man bedenkt, dass normale Stromsensoren bereits ab 1 ~ 10 mV über Widerständen in 0,6 ~ 5 mOhm arbeiten.

Wenn eine Spannungsdifferenz von 1-10 mV mit dem geplanten Stromkreis kompatibel ist, reduziert sich die erforderliche Kupferlänge auf Zentimeter, wenn nicht Millimeter. Wenn die Leiterplatte bereits über eine Stromspur von Eingang zu Ausgang verfügt, können Sie diese für die aktuelle Erfassung nutzen. Die Spannungsdifferenz ist schon da! Das Argument, dass das Brennen dieser Spur die Leiterplatte zerstört, wird sofort ungültig.

Das am zweithäufigsten geäußerte Argument ist der Wärmekoeffizient. Sehr gültiger Punkt. Ich vermute jedoch, dass die Stromspur auf der Leiterplatte eine viel höhere Wärmeableitungskapazität als ein Widerstand hat. In der Tat, wenn es richtig gemacht wird, wird es Umgebungs sein. Natürlich immer noch nicht präzise genug, aber wir haben die Anforderungen nicht gesehen. Wie @ neil-uk hervorhob, gibt es Anwendungen, bei denen die Erfassung des Stromflusses ausreicht. Oder plötzliche Spitzen bei Strömen, die mehrmals über dem Normalwert liegen (z. B. Motorstillstand).

Ein weiteres Argument ist die anfängliche Trimmung. Ja, in der Massenproduktion ist das nicht plausibel. Für ein einmaliges Projekt kann dies jedoch leicht durch vorsichtiges Auftragen von feinem Sandpapier durchgeführt werden.

Kurz gesagt, genau wie andere würde ich dies nicht empfehlen. Aber ich glaube, dass es unter bestimmten Umständen machbar und akzeptabel ist.

AKTUALISIEREN

Ich habe App-Notizen gelesen und bin auf AN894 von Microchip gestoßen . Auf Seite 3 finden Sie "Abbildung 3: PCB-Shunt-Widerstand" als gültige Option für Konstruktionen, bei denen keine hohe Präzision erforderlich ist.

Kupferwiderstände nehmen mit der Temperatur an Widerstand zu. Es ist ungefähr 0,4% pro Grad C. Das macht sie zu schlechten Widerständen. Aber vielleicht bist du damit einverstanden. Denken Sie daran, dass eine Temperaturerhöhung um 25 Grad den Widerstand um 10% erhöht.

Wenn Sie eine Möglichkeit hätten, den tatsächlichen Widerstand zu messen oder die Temperatur der Spur zu ermitteln, könnten Sie im Prinzip die Temperaturänderung kompensieren. Normalerweise ist das nicht praktikabel.

Der Widerstand eines Metallwiderstands mit gleichmäßigem Querschnitt kann wie folgt berechnet werden:

R = ρ * l / A.

R ist der Widerstand, ρ ist der Volumenwiderstand des Materials, l ist die Länge des Widerstands und A ist die Querschnittsfläche des Widerstands. Für eine Spur ist die Querschnittsfläche die Spurdicke * Spurenbreite.

Für Kupfer beträgt ρ 1,72 · 10 & supmin; & sup8; Ohmmeter. Verwenden Sie also Meter für alle Ihre Breiten, Höhen und Längen, um Fehler mit Einheiten zu vermeiden.

Ich hoffe, das hilft Ihnen bei der Beurteilung, ob Sie einen Kupfer-Messwiderstand verwenden und wie Sie die Abmessungen berechnen, die möglicherweise funktionieren.

OK lass uns sehen. Es gibt zwei Dinge.

Erstens muss die Spurweite für eine Stromstärke von 2,5 A laut BITTELE-Rechner mindestens 42 mil betragen . Um nun 0,1 Ohm zu erreichen, muss die Leiterbahnlänge etwa 8,3 Zoll betragen. Ich bin nicht sicher, ob die Kosten für Leiterplattenplatz die Kosten für einen Widerstand von 1 USD ausgleichen können.

Zweitens gibt es Fertigungstoleranzen. Die Plattierungsdicke kann variieren, und es gibt ein Überätzen, wodurch die Spur schmaler wird. Der Wert dieses Shunts variiert also von Board zu Board. Um eine typische Toleranz des Chipwiderstands von 0,5% - 0,1% zu erreichen, müssten Sie eine individuelle Kalibrierung Ihres Widerstands durchführen, was viel kostet.

Jetzt entscheiden Sie, ob dies eine gute Idee ist, PCB-Trace anstelle eines garantierten SMT-Widerstands von 1 USD zu verwenden.

Sie können dies wahrscheinlich auf einer Keramik-Subtrat-Platine tun. Auf normalem FR4 können Sie dies tun, aber die Toleranz ist schlecht und der Temperaturkoeffizient ist schrecklich.

Für 2,5 A und 0,1 Ohm benötigen Sie 275 mm 1 mm Spur.

Saturn PCB Toolkit.

Ich empfehle jedoch einen Stromerfassungswiderstand oder einen Hall-Effekt-Sensor von Allegro MicroSystems oder ähnlichem.

Die anderen Antworten haben das Wie ziemlich gut abgedeckt . Verwenden Sie einfach einen Taschenrechner, um die Breite und Länge der Spur zu ermitteln. Aber ich denke, diese Kommentare sind zu vorsichtig. Wenn Sie nur versuchen, einen Motorstillstand, Überstrom oder ähnliches zu erkennen, würde ich sagen, dass dies in Ordnung ist. Ich habe das schon einmal erfolgreich gemacht.

Sie sollten herausfinden, welche Genauigkeit Sie benötigen. Wenn es sehr niedrig ist (sollte es bei dieser Methode sein), dann finden Sie heraus, um wie viel Sie die Shunt-Spannung reduzieren und trotzdem diese Genauigkeit erhalten können. Wenn Sie mit einem niedrigen vRef beginnen und sich dann mit nur 10 bis 20 Auflösungspunkten zufrieden geben, sollten Sie in der Lage sein, den Shunt-Widerstand deutlich zu senken.