Techniky snímania prúdu využívajúce rôzne snímače prúdu

Prúd je veľmi dôležitým faktorom v elektronike alebo elektrotechnike. V elektronike môže mať prúd šírku pásma od niekoľkých nanoampérov po stovky ampérov. Tento rozsah môže byť v elektrickej oblasti oveľa širší, zvyčajne až niekoľko tisíc ampérov, najmä v elektrických sieťach. Existujú rôzne metódy na snímanie a meranie prúdu vo vnútri obvodu alebo vodiča. V tomto článku si ukážeme, ako merať prúd pomocou rôznych metód snímania prúdu s ich výhodami, nevýhodami a aplikáciami.

Hall's Effect Sensor Current Sensing Method

Hall Effect objavil americký fyzik Edwin Herbert Hall a možno ho použiť na snímanie prúdu. Spravidla sa používa na detekciu magnetického poľa a môže byť užitočný v mnohých aplikáciách, ako sú rýchlomer, alarm dverí, DIY BLDC.

Snímač Hall Effect vytvára výstupné napätie v závislosti od magnetického poľa. Pomer výstupného napätia je úmerný magnetickému poľu. Počas procesu snímania prúdu sa prúd meria meraním magnetického poľa. Výstupné napätie je veľmi nízke a je potrebné ho zosilniť na užitočnú hodnotu pomocou zosilňovača s vysokým ziskom a veľmi malého šumu. Okrem zosilňovacieho obvodu vyžaduje snímač Hall Effect ďalšie obvody, pretože ide o lineárny prevodník.

Klady:

1. Môže byť použitý vo vyššej frekvencii.
2. Môže byť presne použitý v AC aj DC.
3. Nekontaktná metóda.
4. Môže byť použitý v drsnom prostredí.
5. Je to spoľahlivé.

Zápory:

1. Senzor sa posúva a vyžaduje kompenzáciu.
2. Pre užitočný výstup je potrebný ďalší obvod.
3. Nákladnejšia ako bočníková technika.

Senzory Hall Effect sa používajú v kliešťových meračoch aj v mnohých priemyselných a automobilových aplikáciách na snímanie prúdu. Mnoho typov lineárneho Hallovho snímača dokáže snímať prúd od niekoľkých mili-ampérov až po tisíce ampérov. Z tohto dôvodu aplikácia Smart Grid Monitoring Application používa na sledovanie prúdu vodiča aj iný typ senzora Hall efektu.

Metóda snímania prúdu senzora prietokovej brány

Nasýtiteľný induktor je hlavnou súčasťou technológie snímania Fluxgate. Z tohto dôvodu sa snímač Fluxgate nazýva ako snímač saturovateľného indukčného prúdu. Indukčné jadro, ktoré sa používa pre snímač fluxgate, pracuje v oblasti nasýtenia. Úroveň nasýtenia tohto induktora je vysoko citlivá a akákoľvek hustota vnútorného alebo vonkajšieho toku mení hladinu saturácie induktora. Priepustnosť jadra je priamo úmerná úrovni nasýtenia, preto sa mení aj indukčnosť. Túto zmenu hodnoty induktora analyzuje snímač prietokovej brány na snímanie prúdu. Ak je prúd vysoký, indukčnosť sa zníži, ak je prúd nízky, indukčnosť sa zvýši.

Snímač Hall Effect funguje podobne ako snímač fluxgate, ale je medzi nimi jeden rozdiel. Rozdiel je v materiáli jadra. Senzor Flux Gate používa saturovateľný induktor, ale snímač Hall Effect využíva vzduchové jadro.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornená základná konštrukcia snímača prietokovej brány. Existujú dve cievky primárne a sekundárne obalené okolo saturovateľného indukčného jadra. Zmeny v prúdovom prúde môžu zmeniť priepustnosť jadra, čo vedie k zmene indukčnosti cez druhú cievku.

Klady:

1. Môže merať v širokom rozsahu frekvencií.
2. Má veľkú presnosť.
3. Nízky offset a drifty.

Zápory:

1. Vysoká sekundárna spotreba energie
2. Zvyšuje sa rizikový faktor pre hluk napätia alebo prúdu v primárnom vodiči.
3. Vhodné iba pre jednosmerný alebo nízkofrekvenčný striedavý prúd.

Senzory Fluxgate sa používajú v solárnych invertoroch na snímanie prúdu. Okrem toho je možné merať prúd AC a DC v uzavretej slučke jednoducho pomocou senzorov Flux Gate. Metódu snímania prúdu Flux Gate možno použiť aj pri meraní únikového prúdu, detekcii nadprúdu atď.

Metóda snímania prúdu Rogowského cievky

Rogowského cievka je pomenovaná podľa nemeckého fyzika Waltera Rogowského. Rogowskiho cievka je vyrobená pomocou špirálovitej cievky so vzduchovým jadrom a je obalená okolo zameraného vodiča na meranie prúdu.

Na vyššie uvedenom obrázku je Rogowského cievka zobrazená s ďalšími obvodmi. Dodatočné obvody sú integračným obvodom. Rogowského cievka poskytuje výstupné napätie v závislosti od rýchlosti zmeny prúdu vo vodiči. Na vytvorenie výstupného napätia, ktoré je úmerné prúdu, je potrebný ďalší integrátorový obvod.

Klady:

1. Je to dobrá metóda na detekciu rýchlych zmien vysokofrekvenčného prúdu.
2. Bezpečná prevádzka z hľadiska manipulácie so sekundárnym vinutím.
3. Lacné riešenie.
4. Flexibilita pri manipulácii vďaka konštrukcii s otvorenou slučkou.
5. Teplotná kompenzácia nie je zložitá.

Zápory:

1. Vhodné iba pre AC
2. Má nízku citlivosť ako prúdový transformátor.

Rogowského cievka má široké použitie. Napríklad meranie prúdu vo veľkých výkonových moduloch, najmä cez MOSFET alebo vysoko výkonné tranzistory alebo cez IGBT. Rogowského cievka poskytuje flexibilné možnosti merania. Pretože odozva Rogowského cievky je veľmi rýchla pri prechodoch alebo vysokofrekvenčných sínusových vlnách, je dobrou voľbou na meranie vysokofrekvenčných prúdových prechodov v elektrických vedeniach. Pri distribúcii energie alebo v inteligentnej sieti poskytuje Rogowskiho cievka vynikajúcu flexibilitu pre súčasné merania.

Metóda snímania prúdu prúdového transformátora

Prúdový transformátor alebo CT sa používa na snímanie prúdu sekundárnym napätím, ktoré je úmerné prúdu v sekundárnej cievke. Je to priemyselný transformátor, ktorý prevádza veľkú hodnotu napätia alebo prúdu na oveľa menšiu hodnotu vo svojej sekundárnej cievke. Meranie sa vykonáva cez sekundárny výstup.

Na obrázku vyššie je zobrazená konštrukcia. Je to ideálny transformátor CT s primárnym a sekundárnym pomerom 1: N. N závisí od technických údajov transformátora. Viac informácií o transformátoroch sa dozviete tu.

Klady:

1. Veľká prúdová manipulačná kapacita, viac ako iné metódy uvedené v tomto článku.
2. Nevyžadujú ďalšie obvody.

Zápory:

1. Vyžaduje údržbu.
2. Hysterézia nastáva v dôsledku magnetizácie.
3. Vysoký primárny prúd saturuje materiály feritového jadra.

Hlavné použitie techniky snímania prúdu na báze transformátora CT je v elektrickej sieti kvôli veľmi vysokej kapacite merania prúdu. Niekoľko kliešťových meračov tiež používa prúdový transformátor na meranie striedavého prúdu.

Metóda snímania prúdu bočného odporu

Toto je najpoužívanejšia metóda v súčasných technikách snímania. Táto technika je založená na Ohmovom zákone.

Na snímanie prúdu sa používa sériovo zapojený rezistor s nízkou hodnotou. Keď prúd preteká odporom s nízkou hodnotou, vytvára rozdiel napätia na rezistore.

Zoberme si príklad.

Predpokladajme, že 1A prúd preteká 1-ohmovým odporom. Podľa ohmovho zákona je napätie ekvivalentné prúdu x odpor. Preto keď prúd 1A preteká 1-ohmovým rezistorom, bude na ňom vytvárať 1V. Príkon rezistora je kritickým faktorom, ktorý sa má brať do úvahy. Na trhu však existujú aj rezistory s veľmi malou hodnotou, kde je odpor v rozmedzí miliohmov. V takom prípade je rozdiel napätia na rezistore tiež veľmi malý. Na zvýšenie amplitúdy napätia je potrebný zosilňovač s vysokým ziskom a nakoniec sa prúd meria pomocou reverznej výpočtovej základne.

Alternatívnym prístupom k tomuto typu techniky snímania prúdu je použitie stopy PCB ako bočného odporu. Pretože stopa medi PCB ponúka veľmi malý odpor, je možné stopu použiť na meranie prúdu. Pri takomto alternatívnom prístupe je však tiež niekoľko závislostí obrovskou starosťou o dosiahnutie presného výsledku. Hlavným faktorom meniacim hru je driftovanie teploty. V závislosti od teploty sa stopový odpor zmení, čo povedie k výsledku chyby. Túto chybu v aplikácii je potrebné kompenzovať.

Klady:

1. Veľmi nákladovo efektívne riešenie
2. Môže pracovať v AC a DC.
3. Dodatočné vybavenie nie je potrebné.

Zápory:

1. Nevhodné pre prevádzku s vyšším prúdom z dôvodu rozptylu tepla.
2. Bočníkové meranie poskytuje zbytočné zníženie účinnosti systému v dôsledku plytvania energiou cez rezistor.
3. Tepelný drift poskytuje chybný výsledok pri aplikácii pri vysokej teplote.

Aplikácia Shunt rezistora zahŕňa digitálny zosilňovač. Toto je presná a lacnejšia metóda ako snímač Hall Effect. Bočníkový odpor môže tiež poskytovať cestu s nízkym odporom a umožňuje elektrickému prúdu prechádzať jedným bodom do druhého bodu v obvode.

Ako zvoliť správnu metódu snímania prúdu?

Výber správnej metódy pre snímanie prúdu nie je zložitá vec. Pri výbere správnej metódy je potrebné vziať do úvahy niekoľko faktorov, napríklad:

1. Aká je potrebná presnosť?
2. Meranie DC alebo AC alebo oboje?
3. Aká veľká spotreba energie je potrebná?
4. Aký je súčasný rozsah a šírka pásma, ktoré sa majú merať?
5. Kalkulácia.

Okrem tých je tiež potrebné vziať do úvahy prijateľnú citlivosť a odmietnutie interferencie. Pretože nie je možné uspokojiť všetky faktory, sú niektoré kompromisy urobené tak, aby kompromitovali jednu funkciu s druhou v závislosti od priority požiadaviek na aplikáciu.