Shunt Resistor - مقاومت شنت
- تعریف کوتاه فنی
- مقاومت شنت، یک مقاومت با مقدار اهمی بسیار کم است که در مسیر عبور جریان قرار می‌گیرد. با اندازه‌گیری افت ولتاژ دو سر این مقاومت و استفاده از قانون اهم، می‌توان جریان عبوری از مدار را محاسبه کرد. این مقاومت معمولاً در محدوده میلی‌اهم (mΩ) تا کسری از یک اهم انتخاب می‌شود تا ضمن ایجاد افت ولتاژ قابل اندازه‌گیری، توان تلفاتی و تاثیر آن بر عملکرد مدار محدود باشد.
- معادل فارسی
- مقاومت شنت یا مقاومت اندازه‌گیری جریان
- نام‌های دیگر
- Current Sense Resistor، Current Shunt، Current Measuring Resistor، مقاومت حسگر جریان، مقاومت نمونه‌برداری جریان
مقاومت شنت یکی از روش‌های رایج اندازه‌گیری جریان در مدارهای الکترونیکی و سیستم‌های قدرت است.
از آنجا که مقاومت شنت مقدار بسیار کمی دارد، عبور جریان از آن باعث ایجاد افت ولتاژ کوچکی می‌شود. این افت ولتاژ توسط یک مدار اندازه‌گیری مانند تقویت‌کننده تفاضلی، تقویت‌کننده اندازه‌گیری جریان یا ADC خوانده می‌شود.
رابطه محاسبه جریان به‌صورت زیر است:
I = Vshunt / Rshunt
برای مثال، اگر مقاومت شنت برابر با 0.01Ω باشد و افت ولتاژ دو سر آن به 50mV برسد:
I = 0.05 / 0.01 = 5A
بنابراین جریان عبوری از مقاومت برابر با ۵ آمپر است.
انواع مقاومت شنت از نظر ساختار
- SMD Shunt Resistor: مقاومت شنت نصب سطحی که روی PCB مونتاژ می‌شود و در اندازه‌ها و توان‌های مختلف موجود است.
- Metal Strip Shunt: مقاومت شنت با المان مقاومتی فلزی که معمولاً برای اندازه‌گیری جریان‌های بالا استفاده می‌شود.
- Four-Terminal Shunt: مقاومت شنت چهارپایه که دارای دو پایه برای عبور جریان و دو پایه مستقل برای اندازه‌گیری ولتاژ است.
روش‌های اندازه‌گیری جریان با مقاومت شنت
- Low-Side Current Sensing: مقاومت شنت بین بار و زمین قرار می‌گیرد. این روش ساده‌تر است، اما ممکن است باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در مسیر زمین شود.
- High-Side Current Sensing: مقاومت شنت بین منبع تغذیه و بار قرار می‌گیرد. در این روش، جریان در سمت مثبت تغذیه اندازه‌گیری می‌شود و معمولاً به تقویت‌کننده مخصوص اندازه‌گیری جریان نیاز است.
کاربرد
- اندازه‌گیری جریان مصرفی مدارهای الکترونیکی
- کنترل جریان شارژ و دشارژ باتری
- اندازه‌گیری جریان در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)
- کنترل جریان موتورهای DC و درایورها
- مدارهای حفاظت در برابر اضافه‌جریان (Overcurrent Protection)
- اندازه‌گیری جریان در مبدل‌های DC-DC
- سیستم‌های مدیریت باتری (BMS)
نکته طراحی PCB
در طراحی PCB، محل قرارگیری و نحوه اتصال مقاومت شنت تأثیر مستقیمی بر دقت اندازه‌گیری جریان دارد.
- انتخاب مقدار مقاومت: مقدار شنت باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که افت ولتاژ قابل اندازه‌گیری باشد، اما باعث افت ولتاژ و تلفات توان زیاد در مدار نشود.
- توان نامی مقاومت: توان تلفاتی مقاومت از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
P= I^2 × R
توان نامی قطعه باید با حاشیه اطمینان مناسب و با توجه به شرایط حرارتی PCB انتخاب شود.
- اتصال کلوین (Kelvin Connection): برای اندازه‌گیری دقیق، بهتر است مسیر عبور جریان و مسیر نمونه‌برداری ولتاژ از نقاط اتصال جداگانه گرفته شوند.
- مسیرهای متقارن: مسیرهای حس ولتاژ باید کوتاه و تا حد امکان متقارن باشند تا اثر مقاومت مسیرهای مسی و نویز کاهش یابد.
- عرض مسیر مسی: مسیرهای ورودی و خروجی شنت باید متناسب با جریان عبوری طراحی شوند.
- مدیریت حرارتی: مقاومت شنت در جریان‌های بالا گرما تولید می‌کند؛ بنابراین باید توان قطعه، سطح مس و شرایط دفع حرارت در نظر گرفته شوند.
- ضریب دمایی (TCR): برای اندازه‌گیری دقیق، استفاده از مقاومت شنت با ضریب دمایی پایین توصیه می‌شود.
نکته مهم: در اندازه‌گیری جریان‌های بالا یا جریان‌های بسیار دقیق، استفاده از اتصال چهار سیمه (Kelvin Sensing) اهمیت زیادی دارد. در این روش، جریان از دو پایه اصلی عبور می‌کند و ولتاژ از دو نقطه مستقل نزدیک به المان مقاومتی اندازه‌گیری می‌شود؛ در نتیجه اثر مقاومت اتصالات و مسیرهای PCB در اندازه‌گیری کاهش می‌یابد.
اصطلاحات مرتبط
- Ammeter: آمپرمتر
- Current Sensing: اندازه‌گیری جریان
- Kelvin Connection: اتصال کلوین
- Four-Terminal Resistor: مقاومت چهارپایه
- Current Sense Amplifier: تقویت‌کننده اندازه‌گیری جریان
- Differential Amplifier: تقویت‌کننده تفاضلی
- High-Side Sensing: اندازه‌گیری جریان در سمت مثبت تغذیه
- Low-Side Sensing: اندازه‌گیری جریان در سمت زمین
- Voltage Drop: افت ولتاژ
- Power Dissipation: توان تلفاتی
- Temperature Coefficient (TCR): ضریب دمایی مقاومت
- Overcurrent Protection: حفاظت در برابر اضافه‌جریان