近年來，對(duì)使用電流測(cè)量技術(shù)的具有多功能以及高安全性的電子電路的需求日益增加。我們將在本文介紹一種使用分流電阻檢測(cè)電流的方法，并實(shí)際運(yùn)行該電流檢測(cè)電路來查看其檢測(cè)效果。

測(cè)量電流值以保證電路安全運(yùn)行

目前，對(duì)多功能、高安全性設(shè)備的需求不斷增加，這些設(shè)備需要利用適用于其配置的更新的電子電路的電流測(cè)量技術(shù)。

例如，用于檢測(cè)過流和電路運(yùn)行異常并安全停止運(yùn)行的監(jiān)控電路，用于電池充電和電池容量檢測(cè)的功能電路，以及同樣非常重要的用于電機(jī)控制的電流監(jiān)控電路，因此電流監(jiān)控技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)來說是必不可少的。

接下來我們將會(huì)介紹一種檢測(cè)電流的方法，并實(shí)際運(yùn)行該電流檢測(cè)電路來查看其效果。

電流檢測(cè)電路和分流電阻基礎(chǔ)知識(shí)

您可能認(rèn)為電流檢測(cè)電路很復(fù)雜，但從原理上來說，其本身只是一個(gè)利用了“歐姆定律”的簡(jiǎn)單電路，而歐姆定律是電子電路領(lǐng)域中非?；A(chǔ)的理論知識(shí)。串聯(lián)一個(gè)用于電流檢測(cè)的電阻，通過歐姆定律將電阻的壓降轉(zhuǎn)換為電流值來實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)。

用于電流檢測(cè)的電阻稱為“分流電阻”

分流電阻是一種用于測(cè)量和檢測(cè)電流的電子元件。電阻值范圍為100μΩ 到幾百mΩ。理想情況下，您應(yīng)該使用阻值盡可能低的分流電阻，但在實(shí)際操作中，您應(yīng)根據(jù)運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和檢測(cè)目標(biāo)范圍來選擇合適的阻值。

而如果使用低阻值電阻，壓降量偏小，微控制器將會(huì)很難檢測(cè)到電壓，所以這時(shí)候應(yīng)該使用具有低輸入偏移電壓的高精度運(yùn)算放大器來對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。

使用分流電阻和運(yùn)算放大器的電流檢測(cè)電路被稱為“電流檢測(cè)放大器”。

還有，分流電阻的“分流”指的是“避開，轉(zhuǎn)走”。最開始指的是并聯(lián)接入電阻，從而擴(kuò)大模擬電流表的測(cè)量范圍。最近將用于電流檢測(cè)的貼片電阻稱為分流電阻。雖然用法已經(jīng)發(fā)生了變化，但是這種名稱保持不變的現(xiàn)象也是很常見的。

將分流電阻連接至差分放大電路

從原理上來說，使用分流電阻的電流檢測(cè)電路是僅測(cè)量電壓的簡(jiǎn)單電路。但是，由于分流電阻的壓降很小，所以需要制作可以高精度放大電壓的電路。因此，我們使用帶有運(yùn)算放大器的差分放大電路。

對(duì)于用于電流檢測(cè)的運(yùn)算放大器，請(qǐng)選擇使用具有低輸入偏移電壓的高精度運(yùn)算放大器。由于偏移電壓在檢測(cè)小電壓值時(shí)會(huì)造成測(cè)量誤差，因此請(qǐng)使用偏移電壓盡可能低的“高精度運(yùn)算放大器”，或可以自動(dòng)調(diào)整輸入偏移電壓的“零漂移放大器”。

使用電流檢測(cè)電路檢測(cè)電路電流值

我們使用分流電阻和運(yùn)算放大器制作一個(gè)電流檢測(cè)電路，并查看該電路是如何檢測(cè)電流的。電流檢測(cè)電路如下：

圖為所要制作的電流檢測(cè)電路。差分放大電路檢測(cè)分流電阻的電壓，然后將其放大為15倍以上的電壓信號(hào)并輸出62mΩ貼片電阻用作分流電阻?？蓽y(cè)量的最大電流值由貼片電阻的功率決定。我們目前使用的是1W的電阻，所以由W = I2R，1W ≒ 4A × 4A × 62mΩ，最后計(jì)算得出最大電流為4A。

ROHM電流檢測(cè)貼片電阻LRT18系列，62mΩ 1W貼片電阻

如果測(cè)量電流電路的放大倍數(shù)過大，會(huì)超過運(yùn)算放大器的工作電壓，所以需要根據(jù)估計(jì)的最大電流值調(diào)整放大倍數(shù)。我們本次設(shè)置的放大倍數(shù)為15倍，因此當(dāng)流過分流電阻的電流為最大值4A時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓為3V。

ROHM運(yùn)算放大器LMR1802G-LB。是具有低噪聲、低輸入偏移電壓以及低輸入偏置電流的傳感器放大器

ROHM采用的是業(yè)界最低噪聲運(yùn)算放大器。

EMARMOUR “LMR1802G-LB”運(yùn)算放大器具有低輸入偏移電壓5uV(Typ)，用于傳感設(shè)備。

安裝在通用板上的運(yùn)算放大器和分流電阻。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)環(huán)境中這些設(shè)備安裝在通用板上，所以易于焊接，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，會(huì)根據(jù)分流電阻技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D形設(shè)計(jì)。

既然電流是由分流電阻檢測(cè)的，現(xiàn)在就讓我們來探索一下如何使用連接在通用板上的簡(jiǎn)單電路來檢測(cè)電流。

用示波器測(cè)量電壓值并觀察電流動(dòng)向

將負(fù)載連接到完成的電流檢測(cè)電路中，并觀察檢測(cè)波形。把一個(gè)直流有刷電機(jī)連接到負(fù)載。如果可以成功檢測(cè)到電流，應(yīng)該就能夠檢測(cè)到在電機(jī)線圈切換時(shí)的電流波形以及施加負(fù)載后旋轉(zhuǎn)的變化情況了。

分流電阻與電機(jī)和電源串聯(lián)。電機(jī)工作電壓為5V。

電機(jī)空載電流為0.32A。運(yùn)算放大器輸出的波形有效值為202mV，計(jì)算得到檢測(cè)值為0.3A。示波器和探頭帶寬均為50MHz。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，您可以看到電流隨著換向器的切換而發(fā)生變化。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，分流電阻檢測(cè)到的電流值變化會(huì)以電壓信號(hào)變化的形式呈現(xiàn)出來。

如果將運(yùn)算放大器的電流檢測(cè)輸出連接到微控制器板，例如Arduino，就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流，從而幫助您發(fā)現(xiàn)電機(jī)鎖定和線圈短路等異常情況。

如果能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行檢測(cè)，就可以在電路中添加多種功能，例如避免電機(jī)主體/驅(qū)動(dòng)電路過載，以及檢測(cè)電機(jī)鎖定等。

通過改變分流電阻實(shí)現(xiàn)更高精度以及更大范圍的電流檢測(cè)

在實(shí)際使用電流檢測(cè)電路來保護(hù)電路時(shí)，會(huì)選擇阻值低、電流大(不超過分流電阻最大功率)的設(shè)備

我們使用通用貼片電阻，而現(xiàn)有的高性能分流電阻中，有可消耗高達(dá)5W功率值的大功率型號(hào)電阻，以及具有0.1mΩ超低電阻值的高精度分流電阻。您可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的分流電阻。

總結(jié)

這種使用分流電阻和運(yùn)算放大器來檢測(cè)電流的方法已被廣泛使用，因?yàn)樵摲椒ǔ杀镜汀⒕雀咔乙子诓僮?。但是，有時(shí)候添加一個(gè)電阻會(huì)對(duì)電路造成不利影響，所以該方法存在一個(gè)顯著缺點(diǎn)：不能用于高負(fù)載，因?yàn)樵谶@種情況下分流電阻功率損耗過大。

從原理上來說，可以通過降低分流電阻的阻值來降低損耗，但是這樣的話分流電阻的壓降也會(huì)降低，檢測(cè)電壓會(huì)變得更加困難，因此要在選擇更小阻值的分流電阻和達(dá)到檢測(cè)精度之間進(jìn)行權(quán)衡。

特別是用于控制無(wú)刷電機(jī)和DCDC轉(zhuǎn)換器以及檢測(cè)電池剩余電量的電流檢測(cè)電路，需要大電流量和高檢測(cè)精度。因此，我們不僅需要使用小阻值分流電阻，還需要使用高精度運(yùn)算放大器。

在使用分流電阻進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，請(qǐng)基于所檢測(cè)負(fù)載的最大電流和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行考量。也就是說您需要估計(jì)所要檢測(cè)的最大電流以及需要的精度和能夠承受的損耗。還有很重要的一點(diǎn)是，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和組件選擇時(shí)，您還需要考慮制造成本。

請(qǐng)注意，使用電流檢測(cè)電路來保護(hù)電路時(shí)，由于電流檢測(cè)電路本身只用于檢測(cè)電流，所以需要增加保護(hù)和控制功能。比如，您需要增加一個(gè)繼電器或一個(gè)負(fù)載開關(guān)才能切斷電路，同時(shí)，您還需要確定用于操作的程序或電路，以及在什么情況下啟用保護(hù)功能。

如果安裝了電流檢測(cè)電路，電路和控制會(huì)變得更復(fù)雜，閾值也會(huì)略微升高，但是該電路對(duì)于提高電子套件的安全性和功能性來說是必不可少的。

原文標(biāo)題：如何使用分流電阻測(cè)量電路電流

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審核編輯：湯梓紅