2017年1月14日土曜日

0.1Ωのシャント抵抗を使って電流を検出してみる。

LTSpiceでシミュレーション

回路図

RLは100Ωの負荷抵抗。Rshuntが0.1Ωのシャント抵抗で、両端の電圧を検出して(ローサイド)LM358の非反転増幅回路で100倍に増幅している。

I1の電流源をDC解析してみた。

DC解析


20mA以下で非線形になっていて、出力電圧が若干上振れしている。

ブレッドボードで実験



回路自体の電源は9V電池を使った。電流源は自作の可変両電源を使って電圧を変化させて測定した。

Rshunt(Ω)    0.1
R1(Ω)    100.09
R2(kΩ)    9.987
増幅率    100.7801978

非反転増幅回路なので増幅率はA=1+(R2/R1)

抵抗値は、LCRメーターのDE-5000のDCRモードで測定した。

RLを100Ωで測定(実測値:RL=99.34Ω)


IN(V) I(mA)(VIN/(RL+Rshut)) I->V(mV) OUT(V) I(mA) err(mA) err(%)
0 0 0 0.02 1.984516843 1.984516843 #DIV/0!
1.235 12.41954948 1.6 0.1616 16.03489609 3.615346613 29.11%
2 20.11263073 2.6 0.245 24.31033132 4.197700592 20.87%
3 30.1689461 4 0.357 35.42362564 5.254679546 17.42%
4.01 40.32582462 5.2 0.47 46.63614581 6.310321188 15.65%
5.01 50.38213998 6.7 0.58 57.55098844 7.168848458 14.23%
6.01 60.43845535 8 0.689 68.36660524 7.928149885 13.12%
7 70.39420756 9.2 0.802 79.5791254 9.184917835 13.05%
8 80.45052293 10.5 0.909 90.19629051 9.745767578 12.11%
9.01 90.60740145 11.9 1.024 101.6072624 10.9998609 12.14%
10.01 100.6637168 13.2 1.166 115.6973319 15.03361512 14.93%

IN(V)はRLへの入力電圧、I(mA)(VIN/(RL+Rshut))はVIN/(RL+Rshunt)で計算した電流値、I->V(mV)はLM358のNon-Inv端子への入力電圧、OUT(V)はLM358からの出力電圧。

I(mA)は(VOUT/[増幅率])/Rshuntで計算した電流値。

誤差要因はいろいろありそうだが、20mA以上で+20%程度の誤差が出ている。



RLを10Ωで測定(実測値:RL=9.97Ω)

500mA程度まで流すために、RLを10Ωのものに交換して測定した。


IN(V) I(mA)(VIN/(RL+Rshut)) I->V(mV) OUT(V) I(mA) err(mA) err(%)
0 0 0 0.0198 1.964671674 1.964671674 #DIV/0!
1.177 116.8818272 15.9 1.318 130.7796599 13.89783273 11.89%
2 198.6097319 26.8 2.24 222.2658864 23.65615452 11.91%
2.99 296.9215492 36 3.01 298.6697848 1.748235688 0.59%
4.01 398.2125124 54.7 4.51 447.5085481 49.29603564 12.38%
5 496.5243297 65.3 6 595.3550528 98.83072315 19.90%



300mAあたりは理論値と合った値が出ているがグラフはガタガタしている。

RLの温度測定


この間作ったPSoC 4 Prototyping Kitとサーミスタを使った温度計でRLの温度を測定してみた。

サーミスタは手持ちの103AT-11を使っていたが、薄型の103JT-025というタイプを仕入れて使ってみた。

特性は大体同じなのでそのまま差し替えた。薄型なので温度変化に敏感。普通の環境の温度を測定するには103AT-11の方が使いやすい。

素子に張り付けるカプトンテープもaitendoの6mm幅のものではなく、秋月の10mm幅のものした。素子に固定できる粘着力がある。



500mAのときの温度グラフ


150℃近くまで温度上昇。10Ωで500mAなので2.5W。大きな電流を流すときは注意しましょう

メモ:


0.1Ωのシャント抵抗だと、ブレッドボードの中の抵抗や接触抵抗も影響してそう。

誤差は大きいが、正確な電流値を測定することではなく、電圧降下を少なくするのが目的のでこれと3桁電圧表示器で電流計を組んでみる予定。