Penginderaan Arus Resistif:Penginderaan Sisi Rendah vs. Sisi Tinggi

Apa perbedaan antara penginderaan arus resistif sisi tinggi dan sisi rendah? Artikel ini menjelaskan dasar-dasarnya, serta kapan masing-masing merupakan pilihan desain yang lebih tepat.

Banyak aplikasi, seperti manajemen daya, pengisian daya baterai, kontrol motor, dan proteksi arus lebih, dapat memanfaatkan penginderaan arus resistif. Ada dua opsi untuk menempatkan resistor sensor arus secara seri dengan beban:sensor arus sisi rendah dan sisi tinggi.

Dalam artikel ini, kita akan melihat dua pengaturan ini dan mendiskusikan keuntungan dan kerugian dasarnya.

Penginderaan Arus Resistif

Penginderaan arus resistif banyak digunakan pada rakitan papan sirkuit cetak ketika berhadapan dengan level arus rendah hingga sedang. Dengan teknik ini, diketahui resistor R_shunt ditempatkan secara seri dengan beban dan tegangan yang dikembangkan melintasi resistor diukur untuk menentukan arus beban. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 1.

Gambar 1

Resistor arus, juga disebut resistor shunt atau hanya shunt, biasanya memiliki nilai dalam kisaran miliohm. Untuk aplikasi arus yang sangat tinggi, nilai resistor shunt mungkin bahkan pecahan miliohm untuk mengurangi daya yang dihamburkan oleh resistor.

Perhatikan bahwa bahkan dengan nilai resistor kecil, disipasi daya shunt dapat menjadi masalah, terutama untuk aplikasi arus tinggi. Misalnya, dengan R=1 mΩ dan I=100 A, daya yang dihamburkan oleh resistor shunt adalah:

\[P =R \times I^2 =0,001 \times 100^2 =10 W\]

Nilai resistor yang kecil juga menyebabkan penurunan tegangan yang kecil pada resistor. Itulah mengapa amplifier diperlukan untuk mengubah tegangan kecil yang dikembangkan melintasi resistor shunt menjadi tegangan yang cukup besar yang sesuai untuk rangkaian upstream.

Kami akan membahas bahwa, dalam penginderaan arus sisi tinggi, amplifier dapat memiliki persyaratan ketat dalam hal spesifikasi rasio penolakan mode umum (CMRR).

Penginderaan Sisi Rendah dan Sisi Tinggi

Ada dua pilihan untuk menempatkan resistor shunt secara seri dengan beban. Kedua pengaturan ini disebut sebagai metode penginderaan arus sisi rendah dan sisi tinggi dan digambarkan pada Gambar 2.

Gambar 2. (a) Penginderaan arus sisi rendah dan (b) teknik penginderaan arus sisi tinggi.

Dalam konfigurasi sisi rendah, resistor indera arus (R_shunt ) ditempatkan di antara terminal arde catu daya dan terminal arde beban. Dengan metode sisi tinggi, resistor shunt ditempatkan di antara terminal positif catu daya dan masukan suplai beban.

Mari kita lihat apa kelebihan dan kekurangan masing-masing metode.

Penginderaan Sisi Tinggi Versus Sisi Rendah:Nilai Mode Umum

Asumsikan bahwa R_shunt =1 mΩ dan I=100 A. Bahkan dengan arus yang besar ini, jatuh tegangan pada resistor shunt hanya 100 mV. Oleh karena itu, nilai mode umum dari tegangan melintasi resistor shunt sisi rendah hanya sedikit di atas potensial tanah. Dan, untuk konfigurasi sisi tinggi, level mode umum dari tegangan melintasi resistor shunt sangat dekat dengan tegangan suplai beban.

Karena amplifier yang digunakan dalam penginderaan arus sisi rendah berurusan dengan tegangan mode umum yang kecil, amplifier tidak perlu memiliki rasio penolakan mode umum (CMRR) yang tinggi. Rasio penolakan mode umum menentukan berapa banyak atenuasi yang ditunjukkan penguat untuk sinyal yang sama untuk kedua input penguat. Karena nilai mode umum hampir nol untuk konfigurasi penginderaan arus sisi rendah, persyaratan CMRR penguat secara signifikan dilonggarkan dan akibatnya, konfigurasi penguat sederhana dapat digunakan.

Gambar 3 menunjukkan penguat dasar yang dapat digunakan dalam penginderaan arus sisi rendah.

Gambar 3

Dalam contoh ini, penguat terdiri dari sebuah op-amp dan dua resistor pengatur penguatan R1 dan R2. Perhatikan bahwa ini sebenarnya adalah konfigurasi non-pembalik dari sebuah op-amp. Skema penguat ini yang lebih dikenal ditunjukkan di bawah ini:

Gambar 4

Output yang merupakan versi amplifikasi dari V_shunt dapat dicari dengan persamaan berikut:

\[V_{out} =\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} =\left(1 + \frac{R_2} {R_1}\kanan) V_{shunt}\]

Di sisi lain, penguat yang digunakan dalam penginderaan arus sisi tinggi perlu menangani tegangan mode umum yang besar. Amplifier harus memiliki CMRR tinggi untuk mencegah input mode umum yang besar muncul pada output. Itulah mengapa konfigurasi amplifier khusus diperlukan untuk penginderaan arus sisi tinggi. Amplifier ini harus menunjukkan CMRR tinggi dan mendukung rentang mode umum input hingga tegangan suplai beban.

Perlu disebutkan bahwa ada banyak aplikasi penginderaan arus sisi tinggi, seperti aplikasi kontrol motor 3 fasa, di mana tegangan suplai beban jauh lebih besar daripada tegangan suplai yang digunakan untuk penguat. Oleh karena itu, dalam konfigurasi penginderaan sisi tinggi, mode umum input penguat biasanya perlu jauh lebih besar daripada tegangan suplainya—persyaratan yang membuat desain penguat menjadi sangat menantang.

Metode Low-Side Dapat Menyebabkan Masalah Ground Loop

Meskipun metode penginderaan sisi rendah menyederhanakan desain amplifier, metode ini memiliki beberapa kelemahan. Pengukuran arus sisi rendah menempatkan resistor tambahan di jalur ground. Oleh karena itu, ground dari sirkuit yang dipantau berada pada potensi yang sedikit lebih tinggi dari ground sistem. Ini bisa menjadi masalah untuk beberapa sirkuit analog.

Karena ground sirkuit yang dipantau tidak memiliki potensi yang sama dengan beban lain dalam sistem, mungkin ada masalah loop ground yang menyebabkan suara bising, seperti dengungan, atau bahkan gangguan pada peralatan di sekitar. Karena keterbatasan ini, penginderaan arus sisi rendah biasanya digunakan dalam aplikasi di mana kita berurusan dengan satu beban terisolasi atau beban tidak sensitif terhadap kebisingan tanah. Kontrol motor yang sensitif terhadap biaya dalam aplikasi seperti drone, bor, dan gergaji bolak-balik biasanya menggunakan penginderaan sisi rendah untuk dapat bersaing di ruang pasar konsumen.

Metode Sisi Rendah Tidak Dapat Mendeteksi Deteksi Kesalahan

Ada berbagai kondisi gangguan yang tidak dapat dideteksi oleh penginderaan arus sisi rendah. Gambar 5 menunjukkan contoh di mana terjadi hubungan pendek antara catu daya dari sirkuit yang dipantau dan ground sistem.

Gambar 5

Arus gangguan, I_pendek , mengalir dari tegangan bus langsung ke ground sistem dan tidak melalui resistor shunt. Oleh karena itu, sirkuit monitor saat ini tidak akan mendeteksi kondisi gangguan ini. Penginderaan arus sisi rendah juga tidak dapat mendeteksi hubungan pendek antara ground sirkuit yang dipantau dan ground sistem (Gambar 6).

Gambar 6

Namun, penginderaan arus sisi tinggi dapat mendeteksi kondisi gangguan yang terjadi di hilir dari resistor shunt. Ini ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7

Dalam hal ini, arus gangguan melewati resistor shunt. Oleh karena itu, sirkuit pengukuran arus dapat mendeteksi kondisi pendek dan memicu tindakan korektif yang sesuai.

Penginderaan Arus Sisi Tinggi Dapat Menyederhanakan Pengkabelan

Kelemahan lain untuk penginderaan arus sisi rendah adalah bahwa dua kabel diperlukan untuk memberi daya pada sirkuit yang dipantau bahkan jika ground sistem tersedia. Misalnya, dalam aplikasi otomotif, sasis mobil berfungsi sebagai landasan bersama. Dengan sasis berada di permukaan tanah sistem, kami hanya membutuhkan satu kabel untuk memberi daya pada beban. Namun, jika arus yang melalui beban dipantau dengan teknik pengukuran sisi rendah, sistem pembumian tidak dapat digunakan dan dua kabel diperlukan untuk beban. Karena teknik penginderaan sisi tinggi menggunakan ground sistem untuk beban yang dipantau, teknik ini tidak mengalami keterbatasan ini. Itu sebabnya penginderaan sisi tinggi lebih cocok untuk aplikasi otomotif.

Pada artikel berikutnya, kita akan memeriksa skema pada Gambar 3 secara lebih rinci. Kita akan melihat bahwa struktur ini juga rentan terhadap resistansi jejak PCB dan pengukuran yang lebih akurat dapat dilakukan dengan menggunakan penguat perbedaan.

Kesimpulan

Keuntungan utama dari penginderaan sisi rendah adalah bahwa konfigurasi yang relatif sederhana dapat digunakan untuk memperkuat tegangan melintasi resistor shunt. Namun, penginderaan arus sisi rendah rentan terhadap gangguan tanah dan tidak dapat mendeteksi kondisi gangguan. Penginderaan arus sisi rendah biasanya digunakan dalam aplikasi kontrol motor yang sensitif terhadap biaya yang harus mampu bersaing di ruang pasar konsumen.

Untuk melihat daftar lengkap artikel saya, silakan kunjungi halaman ini.