Bir devrede akan akımı ölçmek için farklı teknikler vardır. Devreye kesin olarak bilinen bir değerde bir şönt direnci yerleştirerek Ohm yasasını kullanmak, devredeki akımı ölçmenin yaygın ve basit bir yoludur. Bu gönderi:

• Şönt dirençleri ve uygulamalarını tanımlar ve açıklar
• Şönt dirençlerin temel özelliklerini tartışır
• DMM'ler ve osiloskoplar hakkında genel bir bakış sunar ve bunların şönt dirençlerle nasıl kullanıldığını açıklar
• Şönt dirençlerle ölçmenin avantajlarını ve dezavantajlarını listeler
• Osiloskoplar için izole akım şönt probları kavramını tanıtır

Şönt Direnci Nedir?

Şönt direnci, akımı ölçmek için bir devreye yerleştirilen hassas bir bileşendir. Hassas bir ölçüm cihazı hareketi kullanarak akımı ölçmek için tasarlanan ampermetrelerde, şönt direnci ölçüm cihazının hareketine paralel olarak bağlanır ve böylece akım hareketten "uzaklaştırılır". Günümüzde bu terminoloji, devrede akan akımla orantılı küçük bir voltaj düşüşüne neden olmak için devreye yerleştirilen dirençler için yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu düşüş daha sonra bir voltmetre veya osiloskopla ölçülebilir ve ölçülen voltajı direnç değerine bölerek Ohm yasası kullanılarak devreden akan akımı hesaplamak için kullanılabilir.

Şekil 1.Bilinen dirence sahip bir şönt direnci, yükteki akımı ölçmek için bir yüke seri olarak yerleştirilebilir. Bilinen dirençteki voltaj düşüşü ölçülerek akım I = V/R olarak hesaplanabilir.

Şönt Direnç Çeşitleri

Şönt dirençler, akım algılama dirençleri ve akım görüntüleme dirençleri aynı şekilde çalışır, ancak performans ve amaçlanan kullanım açısından farklılık gösterebilir. Bir CVR veya akım görüntüleme direnci, şönt direnci için kullanılan başka bir terimdir. Genellikle hassas dinamik ölçüm uygulamalarında kullanılmak üzere kontrollü bir frekans tepkisi ve çok doğru bir dirençle tasarlanmış düşük değerli bir şönt direnci ifade eder. Bunlar bir ürün tasarımına dahil edilebilse de, prototiplemede veya geçici test noktaları sağlamak için kullanılması daha yaygındır. CVR'ler genellikle doğru simülasyonu kolaylaştırmak için parazitik elemanlar içeren yazılım modelleriyle birlikte sağlanır.

Yukarıda belirtildiği gibi akım algılama dirençleri şönt dirençler olarak da işlev görür, ancak bu terim genellikle bir ürün tasarımının ayrılmaz bir parçası olan dirençler için kullanılır. Direnç boyunca voltaj düşüşünü ölçmek için bir amplifikatörle eşleştirilirler. Bu, bağımsız bir akım algılama amplifikatöründen sinyal koşullandırma, izolasyon ve analogdan dijitale dönüştürmeyi ele alan tamamen entegre bir güç izleme IC'sine kadar değişebilir.

Şönt Direnç Özellikleri

Şönt dirençler genellikle Joule etkisi olarak ısı yoluyla dağılan voltaj düşüşünü ve I2R güç kaybını en aza indirmek için düşük dirençle tasarlanır. Test edilen devredeki akımı taşıyabilmek için yeterli güç değerlerine sahip olmaları gerekir. Diğer tüm bileşenler gibi, "ideal" değildirler, bu nedenle seri endüktans da önemli bir endişe kaynağıdır çünkü endüktans akım değişimlerini engelleyecektir.

AC ölçümlerinde kullanılmak üzere tasarlanan şönt dirençler genellikle fiziksel olarak düz ve geniştir. Cilt etkisi nedeniyle, alternatif akım iletkenlerin dışından akma eğilimindedir. Bu nedenle, tasarımcılar genellikle yüzey alanını optimize etmek ve AC empedansını düşük tutmak için düz, geniş bir iletken seçerler.

Şöntlerin dirençleri çok küçük olabileceğinden, uç ve temas direnci bile şönt direnç değerinin kendisine büyüklük sırasına göre kıyaslanabilir hale gelebilir. Bu nedenle, bazı şönt dirençlerinin Kelvin bağlantılarını etkinleştirmek için dört terminali vardır. Bu, akım ve voltaj elektrotları arasında ölçüm üzerindeki etkilerini ortadan kaldırmak için fiziksel bir ayrım sağlar. Aslında, akımı taşımak için iki terminal ve bir voltmetreye bağlanmak için iki terminal kullanılır. Voltmetreler yüksek bir giriş empedansına sahip olduğundan, bu, voltaj ölçüm terminallerinden geçen akımı etkili bir şekilde ortadan kaldırır ve voltaj bağlantılarındaki herhangi bir direncin etkisini en aza indirir.

Bir PCB tasarımı için uygun şönt direncini seçmek, tasarım mühendisleri için kritik bir görevdir. Sonuç genellikle elektrik değerleri, paket form faktörü, güç değeri ve hatta özellikle büyük hacimli üretim için tasarım yaparken birim fiyat arasında bir uzlaşmadır.

İdeal şönt direncini seçmenizde size rehberlik edecek temel hususlar aşağıda belirtilmiştir.

• Doğruluk ve Tolerans: Gerekli hassasiyet, bileşen seçimi için belirli sınırları belirler. Hassas ölçümler için, düşük toleranslı (±%0,1 veya daha iyi) bir direnç seçin. Daha yüksek tolerans, hassas uygulamalarda hatalara neden olabilir.
• Parazitik Endüktans: Yüksek frekanslı veya hızlı değişen akım ölçümlerinde endüktans kritik hale gelir. Düşük endüktanslı dirençler, ölçüm hataları olasılığını en aza indirip temiz, doğru sinyaller sağladıkları için bu senaryolar için idealdir.
• Sıcaklık Katsayısı: Direncin düşük bir sıcaklık katsayısına (TCR) sahip olduğundan emin olmak önemlidir, böylece doğruluğu dalgalanan sıcaklık koşullarında bile sabit kalır. Sıcaklık katsayısı genellikle Güç Tüketimi hususlarıyla bağlantılıdır.
• Mevcut Aralık/Güç Derecesi: Akım aralığı ve güç derecesi birlikte düşünülmelidir. Akım aralığının maksimum değeri ve direnç değeri maksimum güç dağılımını belirleyecektir. Ancak, ölçülecek minimum akım farkı da dikkate alınmalı ve şönt direncinin ölçülebilir voltaj düşüşü üretecek kadar büyük olduğundan emin olunmalıdır. Güç derecesi genellikle boyutu ve form faktörünü belirler.
• Fiziksel Boyut ve Form Faktörü: Sisteminizde mevcut alana sığacak şekilde, yukarıdaki koşulları sağlayan dirençler arasından, yüzeye montajlı veya delikli tasarıma ihtiyacınız olup olmadığına bakılmaksızın bir direnç seçin.

Şönt Dirençlerin Uygulamaları

Şönt dirençler, basitlikleri, düşük maliyetleri ve performansları sayesinde çeşitli uygulamalarda kullanılır. Bunlar şu gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır:

• Genel Test ve Ölçüm: Şönt dirençler ampermetrelerin içine yerleştirilebilir veya test edilen yük ile seri olarak bağlanan harici cihazlar olabilir.
• Güç kaynakları ve endüstriyel ekipmanlar: Akım izleme ve arıza tespiti için.
• Elektrik motor tahrikleri ve kontrol sistemleri: Optimize edilmiş performans için akımı ölçmek ve düzenlemek.
• EVler: Şarj ve deşarj akımlarının yüksek hassasiyetle izlenmesi.
• Mobil cihazlar: Akım algılama dirençleri genellikle düşük akımlı cihazlarda akım çekimini izlemek için kullanılır.

Bir devrede şönt direnci nereye yerleştirilmelidir?

Çoğu uygulamada, şönt direnci bir bacağı yere yakın olacak şekilde yerleştirilir (genellikle "düşük taraf akım algılama" olarak adlandırılır). Bu, şöntü ölçmek için kullanılan voltmetreye uygulanan ortak mod voltajını azaltacaktır. Tasarımcılar, ölçümler için dönüş yolunun AC sinyalleriyle paylaşılmamasına veya ölçümlerde gürültüye neden olacak AC sinyalleriyle birleştirilmemesine dikkat etmelidir.

Bazı durumlarda, bir şönt direncini topraklamak pratik veya arzu edilir olmayabilir. Örneğin, son zamanlarda otomotiv güç tasarımcıları şöntleri doğrudan güç kaynağına bağlamanın avantajlarını değerlendirdiler, bu yapılandırma, daha sonraki yoldaki olası arızayı hızla tespit etmelerine ve dolayısıyla devreyi koruma şansı vermelerine olanak tanır. Bu elbette şöntün topraklanmamış bir düğüme takılması gerektiği anlamına gelir, bu nedenle voltaj düşüşünü ölçmek için kullanılan ölçüm sistemi için ortak mod voltaj özelliklerine uyulması için özel dikkat gösterilmelidir.

Şekil 2. Mümkün olduğunda, bu devredeki alt akım görüntüleme direnci (CVR) gibi şönt dirençler topraklanmalıdır. Bu, ortak mod voltajını en aza indirir ve toprak referanslı bir probun bağlanmasına izin verir. Üst CVR'yi ölçmek, yüksek ortak mod reddi olan diferansiyel bir ölçüm gerektirir (aşağıdaki İzole Akım Şönt Probu Kullanma bölümüne bakın).

Şönt Dirençli Aletler ve Akım Ölçümleri

Genel olarak şönt dirençler, küçük ve ölçülebilir bir voltaj düşüşü oluşturarak elektrik akımının hassas bir şekilde ölçülmesini sağlar. Bu voltajı doğru bir şekilde yorumlamak için ampermetreler, dijital multimetreler (DMM'ler) ve osiloskoplar gibi aletler gerekir.

Ampermetreler ve Dijital Multimetreler (DMM'ler) ile Akım Ölçümü

Ampermetreler ve DMM'ler doğru akımı veya alternatif akımı ölçmek için idealdir. AC ve DC güç kaynaklarında hızlı ve doğru ölçümler yapmak için tercih edilen araçtır. Akım ölçümü için ölçerler genellikle cihaza bir veya daha fazla şönt direnci dahil eder. Birden fazla akım aralığını etkinleştirmek için farklı dirençler kullanılabilir. Son derece doğru ve hassas olabilirler -- örneğin, bir Keithley DMM7510 hassas tezgah multimetresi DC akımı pA (1x10-12 A) ve AC akımı nA (1x10-9 A) olarak ölçebilir. Çoğu DMM, 50/60 Hz'de kolayca RMS ölçümleri yapabilir ve bazıları kHz'ye kadar ölçüm yapabilir, ancak ölçer uçları genellikle 1 MHz'in altına düşer.

Şekil 3. DMM'lerde akımı hassas bir şekilde ölçmek için dahili şönt dirençler bulunur. Bu Keithley DMM7510, DC akımı pA (1x10-12 A) cinsinden ölçebilir. Dahili şönt dirençlerden birine bağlı olan sağ alttaki 3 A akım girişine dikkat edin. Bu DMM'nin arkasında ayrıca 10 A giriş mevcuttur.

Tarihsel olarak analog ampermetreler (galvanometreler) akımı hassas bir ölçüm cihazı hareketindeki bir bobinden geçirerek algılar. Bu cihazlarda şönt dirençler, ölçüm cihazının akımı hareketten uzağa "şöntleyerek" daha yüksek akımları ölçmesini sağlamak için akım bölücüler olarak kullanılırdı. Çoğu modern cihaz şönt direnci boyunca voltaj düşüşünü ölçse de, "şönt" terminolojisi yerleşmiştir.

• Dijital Multimetreler (DMMler) voltaj, direnç ve akımı ölçebilirler. DMM'ler genellikle AC veya DC akımını ölçmek için bir veya daha fazla dahili akım şöntüne sahiptir. DMM'ler ayrıca harici şönt dirençler arasındaki voltaj düşüşünü ölçmek için AC veya DC voltaj modunda da kullanılabilir. Şönt dirençli bir DMM kullanırken, multimetre voltaj düşüşünü ölçmek ve karşılık gelen akım değerini görüntülemek için direnç terminallerine bağlanır. DMM'ler hem düşük hem de yüksek akım devrelerinde doğru akım okumaları için mükemmeldir ve bu da onları çok çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir.
• Ampermetreler özellikle akım ölçümü için tasarlanmıştır ve bir devredeki akımın sürekli izlenmesini gerektiren uygulamalar için idealdir. Ampermetreler genellikle gerçek zamanlı geri bildirim için güç kaynaklarına veya diğer ekipmanlara yerleştirilir.

Not: Yaygın bir hata, bir kullanıcının yanlışlıkla yüksek enerjili bir kaynak boyunca akım ölçümü için yapılandırılmış bir DMM'yi bağlamasıdır. Bu, düşük dirençli şantı kaynak boyunca bağlar ve kısa devreye neden olur. Bu nedenle, DMM'lerdeki yüksek akım girişleri ayrı jaklar kullanır ve sigortalarla korunur. DMM ile akım ölçümü yaptıktan sonra, test ucunu akım jakından çıkarıp yüksek empedanslı voltaj girişine takmak en iyi uygulamadır.

Osiloskoplarla Akım Ölçümü

Osiloskoplar genellikle DC ve düşük frekanslı AC akım ölçümleri için DMM'ler kadar doğru değildir, ancak megahertz'e kadar frekanslarda geçici ve hızlı değişen akımları ölçmek için paha biçilmezdir. Osiloskoplar ayrıca mühendislerin test edilen cihazlardaki diğer aktivitelere ve parametrelere göre akımı görselleştirmesine olanak tanır; voltajlar, anahtarlama olayları, sensör sinyalleri ve kontrol sinyalleri dahil. Bu, akımın yük değişikliklerine yanıt olarak hızla yükselebileceği veya düşebileceği yüksek hızlı dijital sistemler, çekiş invertörleri ve güç kaynakları gibi sistemleri test etmede özellikle yararlıdır.

Akımı ölçmek için osiloskoplar, akımı voltaja dönüştürebilen problarla donatılmalıdır. Dönüştürme, manyetik sensörlere veya şönt dirençlere dayalı olabilir. Her iki yöntem de osiloskopa, sayısallaştırılabilen ve zamana göre görüntülenebilen bir voltaj sinyali sağlar.

Şekil 4. Osiloskoplar, kelepçeli akım probları kullanarak veya bir şönt direnci boyunca düşüşü ölçerek akımı ölçebilir. Bu örnekte direnç topraklanmamıştır, bu nedenle bir şönt akım probu kullanılmaktadır.

Manyetik Akım Probları

Transformatör, Rogowski ve Hall Effect probları, devreyi kesmeden akımı ölçmek için osiloskoplarla birlikte çalışır. Transformatörler ve Rogowski bobinleri yalnızca AC ölçmek için kullanılabilir. Bu nedenle, osiloskoplar için AC/DC akım probları transformatör eylemini Hall Effect sensörleriyle birleştirir. Bu problar, bir tel uzunluğu veya bir bara DUT'a tasarıma göre veya geçici bir test noktası olarak dahil edilebildiğinde kullanışlı ve etkilidir. Ancak, TCP0030A gibi mükemmel bir kelepçeli akım probu bile 120 MHz ile sınırlıdır ve mA'ya kadar ölçüm yapabilir. "Devreyi kesmeyi" gerektirmeseler de, manyetik probların test edilen devreye endüktif bir yük sunduğunu ve bunun yüksek frekanslarda önemli olabileceğini unutmamak önemlidir. 120 MHz'de, TCP0030A'nın 0,85 Ω'luk bir ekleme empedansı vardır.

Bir Şönt Direnci Üzerindeki Gerilim Düşümü

Bilinen bir direnç boyunca voltaj düşüşünü ölçmek, bir devredeki akımı ölçmenin basit bir yoludur. DUT içindeki bilinen, düşük değerli herhangi bir seri direnç, bir akım ölçüm şönt görevi görebilir. Alternatif olarak, bir test noktası, bir yük ile seri olarak uygun şekilde derecelendirilmiş bir direnç yerleştirilerek eklenebilir. Osiloskop ölçüm ölçeklemesine izin veriyorsa (genellikle prob menülerinde bulunur), amper cinsinden okumak için voltaj okumaları sabit bir direnç değerine bölünebilir.

• Yukarıda belirtildiği gibi, şönt direncinin ideal olarak bir bacağı toprağa bağlı olmalıdır. Direncin bir bacağı topraklanmışsa, pasif bir toprak referanslı prob kullanılabilir. Bir terminal topraklanamıyorsa, diferansiyel voltaj probu kullanılmalıdır. Diferansiyel bir prob kullanıldığında bile, en iyi uygulama, ortak mod voltajlarını en aza indirmek için şönt direncini toprağa yakın yerleştirmektir.
• Şöntün direnci osiloskop veya probun direncinden çok daha düşük olmalıdır.
• Yüksek frekanslı ölçümlerde şönt direncin parazitik kapasitansı ve endüktansı devreye gireceğinden, yüksek frekanslı uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış bir algılama direnci veya CVR kullanılmalıdır.

Pasif ve diferansiyel voltaj probları şönt direnç boyunca voltaj dalga formlarını ölçmek için kullanılabilirken, bunların bazı dezavantajları da vardır:

• Genellikle sinyali zayıflatırlar ve bu da daha düşük sinyal-gürültü oranlarına neden olur.
• Yüksek giriş empedansı ve şönt kapasitansı gürültü performansını etkiler.
• Topraklanamayan şöntler için
  • Pasif problar kullanılamaz
  • Diferansiyel problar yeterli ortak mod voltajını desteklemeyebilir
  • Ortak mod reddi genellikle gürültüyü önlemek için yetersizdir

Şekil 5. TICP Serisi IsoVu İzole Akım Probu, yüzer şönt dirençlerde yüksek bant genişliğine sahip, düşük gürültülü akım ölçümleri yapmak için tasarlanmıştır. Tipik uygulamalar arasında Şekil 2'de gösterilen gibi topraklanmamış akım görüntüleme direnci ölçümleri bulunur.

Yalıtılmış Akım Şönt Probu Kullanımı

Gürültünün sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gereken durumlarda, özel bir akım şönt probu kullanılabilir. Tektronix TICP Serisi IsoVu™ İzole Akım Probları bu tür bir prob serisidir. Bu problar, şönt dirençler boyunca düşük gürültülü, yüksek bant genişliği ölçümleri yapmak için özel olarak tasarlanmıştır. Yeni TICP Serisi izole akım problarının temel özellikleri şunlardır:

• 250 MHz, 500 MHz veya 1 GHz bant genişlikleri
• 1X uçlarla kullanıldığında düşük zayıflama ve 50 Ω giriş empedansı. Bu, sinyal-gürültü oranını en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur.
• Yüksek voltajlı güç dönüştürücülerinde kullanım için 1000 V'un üzerinde ortak mod voltajı. Bu, tipik diferansiyel voltaj problarından çok daha yüksektir.
• 1 MHz'de 90 dB ortak mod reddetme oranı, tipik diferansiyel problardan önemli ölçüde daha yüksektir.

Şönt Dirençlerin Manyetik veya Hall Effect Sensörlere Karşı Kullanımının Avantajları ve Dezavantajları

Akımı ölçmek için şönt dirençler kullanmanın, manyetik veya Hall Effect sensörleri kullanmaya kıyasla çeşitli avantajları vardır:

1. Doğruluk: Şönt dirençler son derece doğru akım ölçümleri sağlar ve ölçülen devreye olan etkiyi en aza indirecek şekilde tasarlanabilir. Şönt dirençler esasen akım-gerilim dönüştürücüler olduğundan, ölçüm doğruluğu, şönt boyunca voltaj düşüşünü ölçmek için kullanılan aletin doğruluğuna ve direnç değerindeki belirsizliğe bağlıdır.
2. Maliyet açısından verimlilik: Şönt dirençler, manyetik ve Hall Effect sensörleri gibi diğer akım ölçüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında düşük maliyetli ve uygulanması kolaydır.
3. Çok yönlü: Malzeme ve yapısına bağlı olarak hem düşük hem de yüksek akımlı sistemlere uygundur.

Akımı ölçmek için şönt direnç kullanmanın başlıca dezavantajları şunlardır:

1. Devre kırmak: Manyetik veya Hall Effect sensörlerinin aksine, ölçülen devreye bir şönt direnç yerleştirilmelidir. Kablolu bağlantılar için bu basittir - direnç seri olarak yerleştirilebilir. Devre kartları için, izleri kesmek zorunda kalmamak için kartın test noktalarıyla tasarlanması gerekir.
2. Gerilim düşümü: Kaynak ile yük arasına şönt direnç konulması, yüke uygulanan voltajı azaltır.
3. Güç dağılımı: Bir şönt direnci, akımın karesi fonksiyonu olarak gücü dağıtacaktır (P = I2R).

Özetle, şönt dirençler çeşitli uygulamalarda akımı ölçmek için güvenilir, uygun maliyetli ve hassas bir yöntem sunar. Devreye küçük, bilinen bir direnç ekleyerek, Ohm yasasından yararlanarak direnç boyunca voltaj düşüşü yoluyla akım hesaplamasına olanak tanırlar. İster multimetrelerle, ister pasif, diferansiyel veya izole akım problu osiloskoplarla kullanılsın, şönt dirençler düşük frekanstan yüksek frekanslı uygulamalara ve çok çeşitli akımlara kadar çeşitli akım ölçüm ihtiyaçlarına uyum sağlayabilir. Devre ekleme, voltaj düşüşleri ve güç kaybı gibi sınırlamaları olsa da, bu bileşenler akım ölçümleri için vazgeçilmezdir.