大电流恒流源的采样电阻

大电流恒流源的采样电阻

大电流恒流源的采样电阻

采样电阻主要有两种形式,一个是标准分流器,另一个是标准电阻,其实都是差不多的东西,都是小阻值、大功率精密电阻。
我们知道,电阻的功率与电阻成正比,与电流的平方成正比。电流一大,功率迅速增加,而标准电阻都很怕热的,这就矛盾起来,造成要么很大个头的标准电阻但电流并不大,或则等级比较差。解决问题的方法,就是采用特殊材料和工艺,尽量减少电阻的功率系数。

所谓功率系数,有时也叫负载系数,就是有了功率负载后,电阻变化情况,一般以每瓦ppm来表示。这个与温度系数还不完全一样,温度系数主要是外界温度变化但电阻中的功率不大时的电阻变化,而功率系数是自身产热而造成的电阻变化,此时可能有负载不均、局部过热的现象产生。

对于不同的恒流电流,要选择合适的采样电阻。阻值的选择主要涉及两个矛盾的侧面:
一个是功率,不能太大,否则发热后变化大。必须大功率的,要保证体积、散热。对于标准电阻,BZ3尽管个头大,但*大功率只有1W。BZ6是3W,4223是10W已经很大了。对于传统分流器,压降小(50mV-75mV),因此电流要比较大功率才能上去,有优势。但对于标准分流器,压降比较高,大电流的功耗就很大了。例如Fluke的 A40B-100A,0.8V压降,功率80W!

另一个是矛盾的侧面是压降,不能太小,否则因为热电动势和放大不利的原因,测试不准,短稳变差。如果按照热电动势+噪音等因素为1uV计算,对于50mV的量程为20ppm,不小了,因此50mV太低,要500mV才算比较大的电压,影响2ppm。但如果按照高稳3458A的规格,100mV可以测试到8ppm,50mV可以测试到11ppm,甚至20mV也可以测试到20ppm,因此小电压的条件也可以适当放宽。

上表,背景黄**域为边缘区域,可以选择但有困难,红**域不适合选择,无色的可以选择,粗体为建议选择。
10A,可以选择0.01欧,压降0.1V、功率1W
20A,也以选择0.01欧,压降0.2V、功率4W偏大。也可以选择0.001欧,此时压降0.02V偏小
25A,可以选择0.001欧,此时压降0.025V偏小,但功率合适。选择0.01欧则功率偏大,除非有措施。
50A,可以选择0.001欧,此时压降0.05V比较合适了,功率2.5W合适。
100A,选择0.001欧,此时压降0.1V合适,功率10W偏大,但没有办法。
200A,只能选择0.001欧,此时压降0.02V很小但没有办法,功率4W合适。
250A,只能选择0.001欧,此时压降0.025V偏小但没有办法,功率6.25W合适。500A,只能选择0.001欧,此时压降0.05V合适,功率25W偏大,必须采取相应措施。
1000A,有难度。

可以看出,这种10进的电阻,在大电流下分级太粗,选小一级的电压太小,选大一级的功率太大。因此,如果DIY的话,可以选择中间阻值的,例如0.002欧、0.0025欧、0.003欧、0.005欧等,无需拘泥与10进整数。

另外,做一个更直观的选择图:

其中每组电流用不同颜色表示,每组两根线,分别代表功率和电压。
功率曲线和电压曲线越接近,就越好选择,四边形代表可以选择的区域。
蓝色10A,选择功率在1W附近、电压在0.1V附近,即电阻0.01欧附近。商品的有选择更大的,不推荐。
天蓝色30A,选择0.002欧到0.005欧合适,*好0.003欧,此时电压0.1V、功率3W。
红色100A,可以选0.0005欧到0.001欧之间,此时电压50mV到100mV,功率5W到10W。
绿色300A,0.15mR到0.3mR合适,电压45mV到100mV,功率14W到27W,比较大了。
黑色1000A,0.02mR到0.03mR合适,电压20mV到50mV,功率20W到50W。

另一个图表,根据采样电压放大误差、热电误差、发热温漂误差综合因素选择了采样电阻后,得到采样电压、功率、合计偏差

可见随着电流的增大,采样电阻急剧减小,功率成比例增大,采样电压缓慢减少。

普通分流器一般是有标准压降,例如我国的是75mV,国外也有50mV和60mV的,此种分流器大量存在,等级0.5的为多,算不上精密,不属于此处描述之列。

标准分流器,压降一般比较大,早先的甚至达到1V,现在有所降低。测试标准分流器都是在标准电流下,等到足够长的时间(例如30分钟),让自热温升达到平衡后,才测试的。

小阻值标准电阻,是设计成小功率下工作的。例如国产的BZ3,额定功率0.1W、*大1W。有0.1欧、0.01欧和0.001欧三只,额定电流分别是1A、3.3A和10A,*大电流分别是3A、10A和33A。因此,测试标准电阻,为了避免温升,测试要尽快进行。

国产的还有BZ10,与BZ3类似。国产还有一种BZ6,体积大很多,额定1W,*大3W是BZ3的3倍,0.1欧、0.01欧和0.001欧的*大电流分别是5.5A、17A和55A

上海迪一仪表有限公司有一款BZ6的改进型叫BZ6C,看性能不错,控温型,50ppm,*大可达10W:
http://www.22818881.cn/threestyle/22818881/product/7118807.html

L&N也有一款检流电阻4223,*大电流可以达到100A(*大功率10W)
(4221:0.1欧,42
































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