Kun suunniteltavassa elektroniikkapiirissä tarvitaan virran mittaamista, siihen käytetään yleensä erillistä mittausvastusta. Joskus houkutteleva vaihtoehto on käyttää virtamittaukseen piirilevyn omia johtimia eli kupariliuskoja. Se onnistuu, mutta hyödyntämiseen liittyy joitakin kompromisseja.

Virtamittaukseen käytettävä erillinen vastus eli ’virtashuntti’ tarvitaan kuormavirran tarkkaan mittaamiseen. Tämä shunttivastus sijoitetaan sarjaan kuorman kanssa ja se synnyttää jännitehäviön, joka on verrannollinen shuntin läpi kulkevaan virtaan.

Suurivirtaisissa sovelluksissa shunttivastukselle vaadittava resistanssiarvo voi nousta korkeaksi, jolloin se synnyttää huomattavan tehohäviön, joka haihtuu lämpönä ympäristöön. Tällaisissa tapauksissa piirilevyn (PCB) kuparijohtimen hyödyntäminen shunttivastuksena saattaa tarjota toimivan ratkaisun. Yksi johdinliuskojen käytön merkittävä ongelma on kuitenkin kuparifolion resistanssin lämpötilakerron +0,39 %/°C, joka tuo mittaukseen epätarkkuutta lämpötilan muuttuessa.

Piirilevyn kuparijohtimen käyttämiseen shunttina liittyy joitakin vaikeuksia, erityisesti kuparin alhaisen resistanssin vuoksi. Sen takia joko mittaussignaali jää niin alhaiseksi, että vaaditaan melko haastavia vahvistinratkaisuja, tai vaaditun vastusarvon edellyttämä johtimen pituus nostaa kustannuksia piirilevyllä tarvittavan lisätilan vuoksi. Levyalan käyttöön vaikuttavat myös resistanssiarvoille vaaditut toleranssit.

Kapeampi johdinliuska vähentäisi tarvittavaa pituutta ja siten myös levyn pinta-alaa, mutta piirilevyn syövytyksen toleranssit sanelevat yleensä minimileveydeksi noin 0,4 – 0,6 millimetriä. Toinen huomattava ongelma on kuparin lämpötilakerroin +0,39 %/°C, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että tietyllä virralla jännitehäviö kasvaa 20 % lämpötilan noustessa 50 astetta.

On myös syytä huomata, että johdinliuskojen dimensioiden toleranssit vaikuttavat suoraan resistanssiarvoon. Piirilevyn syövytysprosessin sanelema johdinliuskojen reunojenhallinnan tarkkuus määrää yleensä niille hyväksyttävän minimileveyden.

Tarkka mittaus johdinliuskoilla

Seuraavassa esiteltävä lämpötilakerrointa koskevan ongelman ratkaisutapa hyödyntää piisirujen suunnittelussa yleisesti käytettäviä tekniikoita sekä geometrista suhteutusta absoluuttisten arvojen käyttämisen sijaan. Tämäkään menetelmä ei silti ole täysin ongelmaton, koska syntyvät jännitehäviöt ovat erittäin pieniä, usein alle 10 mV.

Onneksi nykyaikaiset zero drift -tyyppiset operaatiovahvistimet (autonollaus, hakkuri) tarjoavat valmiin ratkaisun alhaisen jännitehäviön ongelmaan. Kuten seuraavasta havaitaan, perustarkkuuden saavuttamisessa on edelleen joitakin rajoituksia, vaikka kalibroinnin jälkeen menettely voikin olla erittäin tarkka.

Ideana on luoda johdinliuskoista kaksi vastusta, joiden geometrinen suhde määrittää vahvistuskertoimen. Tarkastellaan esimerkiksi suurivirtaista polkua (R_SHUNT), jonka (normalisoidut) mitat ovat: pituus L = 1 ja leveys W = 10. Vahvistuskertoimen määräävälle elementille (R_G) puolestaan muodostetaan toinen liuskakuvio, jossa L = 10 ja W = 1. Tämä antaa dimensiosuhteeksi ja siten myös resistanssisuhteeksi 100:1.

Koska vahvistusvastuksen on tarkoitus lämpökompensoida suurivirtaista polkua R_SHUNT, se tulisi sijoittaa symmetrisesti ja lähelle R_SHUNT-elementtiä. Kuvassa 2 nähdään periaatekaavio shunttina toimivan kuparisen piirilevyjohtimen ja vahvistuskertoimen määrittävän johdinliuskan suhdesovituksesta perusvirheiden sekä lämpötilavirheiden minimoimiseksi. Vastusliuskojen sijoittelussa hyödynnetään liuskojen mittasuhteita ja lomittelua.

Kuvassa 1 nähdään yksinkertaistettu kaavio, joka havainnollistaa konseptin alustavassa testauksessa käytettyä peruspiiriä. Operaatiovahvistin ohjaa MOSFET-transistoria, joka syöttää tarvittavan takaisinkytkentävirran vahvistusvastuksen kautta sekä mitattavaan virtaan verrannollisen lähtöjännitteen.

Tämä on ’alemman puolen’ mittausta varten suunniteltu peruspiiri, jossa virtashuntin toinen napa on kytketty maahan ja vahvistimen lähtöä verrataan suhteessa maatasoon. On huomattava, että tämä piirirakenne vaatii operaatiovahvistimen, jolla on erittäin pieni tulopuolen offset, kuten zero drift -vahvistimilla (tässä Microchipin MCP6V76-sarjan vahvistin, jonka suurin tulo-offset on 25µV).

On hyvä huomata, että yksinkertaistetussa piirikaaviossa resistanssien R₃ ja R_G läpi kulkeva virta on aina tulovirran sekä vastusten R_SHUNT ja R_G suhdeluvun funktio. Vastusten RSHUNT ja RG todellisten resistanssien kokonaisarvon tulee vain olla sellainen, että virta pysyy mosfetin T1 vaatimissa rajoissa. Vastusten R_SHUNT ja R_G suhde voidaan määrittää seuraavasti:

Tämä virta määrää suhteen, jossa lähtövirta on tietty murto-osa tulovirrasta, joka puolestaan on verrannollinen geometriseen suhteeseen. Vastuksen R3 yläpäässä vaikuttavaa jännitettä käytetään lähtöjännitteenä ja sitä voidaan säätää vahvistuksen asettamiseksi mihin tahansa haluttuun arvoon. Käytännön esimerkki vastusten R_SHUNT ja R₃ sijoittelusta piirilevylle alemman puolen virtamittauspiirissä nähdään kuvissa 2 ja 3.

Kuva 1. Peruspiiri alemman puolen virtamittausta varten. Siinä hyödynnetään piirilevyn kupariliuskoista muodostettua lämpötilakompensoitua shunttivastusta.

Kuva 2. Johdinliuskoista muodostettujen shuntti- ja vahvistusvastusten piirilevysijoittelun periaate.

Kuva 3. Lähikuva testilevystä, jolle on asetettu myös kolikko todellisen koon mittapuuksi. Pisteiden TP6 ja TP7 välillä kulkeva johdinliuska on shunttivastus R_SHUNT. Vastaavasti pisteiden TP6 ja TP8 välinen kuparijohdin muodostaa vahvistusvastuksen R_G. Kolikon alle jäävässä osassa on samanlainen käyttämätön piiri.

Suorituskyvyn mittaukset

Kuvan 1 kytkentä toteutettiin alemman puolen mittausta varten havainnollistamaan kupariliuskojen kompensointia. Absoluuttiseen tarkkuuteen ei pyritty, ja arvot normalisoitiin taulukossa esitettyjen mittausten mukaisesti.

Operaatiovahvistinta MCP6V76 hyödyntävällä testauskortilla tallennettiin taulukossa nähtävät lämpötilaryöminnän arvot välillä 25°C – 125°C. Virheet pysyivät samalla tasolla yli sataan asteeseen, ja suuren osan virheestä 125 asteen lämpötilassa voidaan tulkita johtuvan muiden komponenttien, kuten perinteisen vahvistusvastuksen ja vahvistimen, ryömimisestä.

Ylemmän puolen mittaus

Ylemmän puolen anturiversio voidaan rakentaa kuvan 4 mukaisesti virtaohjaimen avulla toteutetulla mittauspiirillä, joka tunnetaan yleisesti nimellä ’Current Drive Current Sensing’.

Kuva 4. Virtaohjaimen avulla toteutettu mittauskytkentä ’Current Drive Current Sensing’.

Virtaohjauspiiri soveltuu hyvin johdinliuskojen kompensointimenettelyyn, jossa RC_uSHUNT ja RC_uGAIN1 ovat piirilevyn kupariliuskoja. RG on tavanomainen vastus, jonka resistanssiarvo valitaan halutun vahvistuksen mukaisesti. Zenerdiodi Z1 toimii operaatiovahvistimen koko syöttöjännitteen (rail-to-rail) regulaattorina. Diodi D1 suojaa tuloastetta kuorman mahdollisen oikosulun varalta.

Erillinen shunttivastus harkintaan

Kun virran mittaamista toteutetaan hyödyntämällä piirilevyn johdinliuskoja, hyvin pian havaitaan keskeinen syy, miksi vastuskomponentit ylipäänsä on keksitty. Tarkkaan mittaamiseen tarvittava johdinliuskojen yhteispinta-ala kasvattaa aina huomattavasti enemmän levytilaa kuin erillinen shunttivastus.

Kannattaa myös pitää mielessä, että huippuluokan mittausvahvistimen offset-jännite on luokkaa 5 – 10 µV ja kohtuullinen tarkkuus alkaa täyden skaalan jännitehäviöillä kertaluokkaa tämän yläpuolella. Kun kaikki mainitut tekijät otetaan huomioon, on helppo todeta, että fyysisesti pienikokoisin ratkaisu suosii erillistä shunttivastusta.

Kuvassa 5 on esimerkki, joka havainnollistaa erillisen shunttivastuksen ja mittausvahvistimen käytön yksinkertaisuutta. Shuntti tarjoaa tarkan resistanssin ja alhaisen lämpötilakertoimen.

Nykyaikaiset alhaisen offsetin zero drift -mittausvahvistimet puolestaan mahdollistavat shunttivastuksen vähäiset jännitehäviöt, mikä parantaa hyötysuhdetta ja usein myös antaa mahdollisuuden fyysisesti pienikokoisemman shuntin käyttämiseen alhaisemman tehohäviön ansiosta. Sekä yksi- että kaksisuuntaiset piirit voidaan myös luoda melko kivuttomasti.

Kuva 5. Erillistä shunttivastusta hyödyntävän virtamittauksen vahvistinkytkentä, jossa käytetään Microchipin mittausvahvistinta MCP6C02-100.