Techniky současného snímání využívající různé snímače proudu

Proud je velmi důležitým faktorem v elektronice nebo elektrotechnice. V elektronice může mít proud šířku pásma od několika nanoampér až po stovky ampér. Tento rozsah může být v elektrické oblasti mnohem širší, obvykle na několik tisíc ampér, zejména v energetických sítích. Existují různé metody pro snímání a měření proudu uvnitř obvodu nebo vodiče. V tomto článku budeme diskutovat o tom, jak měřit proud pomocí různých technik snímání proudu s jejich výhodami, nevýhodami a aplikacemi.

Hallův efekt - metoda snímání proudu

Hall Effect objevil americký fyzik Edwin Herbert Hall a lze jej použít ke snímání proudu. Obvykle se používá k detekci magnetického pole a může být užitečné v mnoha aplikacích, jako je rychloměr, alarm dveří, DIY BLDC.

Snímač Hall Effect produkuje výstupní napětí v závislosti na magnetickém poli. Poměr výstupního napětí je úměrný magnetickému poli. Během procesu snímání proudu se proud měří měřením magnetického pole. Výstupní napětí je velmi nízké a je třeba ho zesílit na užitečnou hodnotu pomocí zesilovače s vysokým ziskem a velmi nízkým šumem. Kromě zesilovacího obvodu vyžaduje snímač Hall Effect další obvody, protože se jedná o lineární převodník.

Profesionálové:

1. Lze použít s vyšší frekvencí.
2. Lze použít přesně v AC i DC.
3. Nekontaktní metoda.
4. Lze použít v drsném prostředí.
5. Je to spolehlivé.

Nevýhody:

1. Senzor se pohybuje a vyžaduje kompenzaci.
2. Pro užitečný výstup je nutný další obvod.
3. Nákladnější než metoda založená na bočníku.

Senzory Hall Effect se používají v klešťových měřičích i v mnoha průmyslových a automobilových aplikacích pro snímání proudu. Mnoho typů lineárních snímačů s Hallovým efektem dokáže snímat proud od několika miliampů po tisíce ampérů. Díky tomu aplikace Smart Grid Monitoring Application používá ke sledování proudu vodiče také jiný typ senzoru Hall efektu.

Metoda snímání proudu senzoru tokové brány

Saturovatelný induktor je hlavní součástí technologie snímání Fluxgate. Z tohoto důvodu je senzor Fluxgate nazýván jako senzor proudu saturovatelného induktoru. Jádro induktoru, které se používá pro senzor fluxgate, pracuje v oblasti nasycení. Úroveň nasycení tohoto induktoru je vysoce citlivá a jakákoli vnitřní nebo vnější hustota toku mění úroveň nasycení induktoru. Propustnost jádra je přímo úměrná úrovni nasycení, proto se také mění indukčnost. Tato změna hodnoty induktoru je analyzována snímačem hradla toku pro snímání proudu. Pokud je proud vysoký, indukčnost se sníží, pokud je proud nízký, indukčnost se zvýší.

Snímač Hall Effect funguje podobně jako snímač fluxgate, ale je mezi nimi jeden rozdíl. Rozdíl je v materiálu jádra. Senzor Flux Gate používá saturovatelný induktor, ale snímač Hall Effect používá vzduchové jádro.

Na výše uvedeném obrázku je znázorněna základní konstrukce senzoru tokové brány. Existují dvě cívky primární a sekundární omotané kolem saturovatelného indukčního jádra. Změny v proudu mohou změnit propustnost jádra, což vede ke změně indukčnosti přes druhou cívku.

Profesionálové:

1. Může měřit v širokém rozsahu frekvencí.
2. Má velkou přesnost.
3. Nízký offset a drift.

Nevýhody:

1. Vysoká sekundární spotřeba energie
2. Zvyšuje se rizikový faktor pro hluk napětí nebo proudu v primárním vodiči.
3. Vhodné pouze pro DC nebo nízkofrekvenční AC.

Senzory Fluxgate se v solárních invertorech používají k snímání proudu. Kromě toho lze měření proudu AC a DC v uzavřené smyčce snadno provádět pomocí senzorů Flux Gate. Metodu snímání proudu Flux Gate lze také použít při měření svodového proudu, detekci nadproudu atd.

Metoda snímání proudu Rogowského cívky

Rogowského cívka je pojmenována podle německého fyzika Waltera Rogowského. Rogowského cívka je vyrobena pomocí spirálovité vzduchové cívky a ovinuta kolem cíleného vodiče pro měření proudu.

Na výše uvedeném obrázku je Rogowského cívka zobrazena s dalšími obvody. Dodatečné obvody jsou integrační obvody. Rogowského cívka poskytuje výstupní napětí v závislosti na rychlosti změny proudu ve vodiči. Pro vytvoření výstupního napětí, které je úměrné proudu, je zapotřebí další integrační obvod.

Profesionálové:

1. Je to dobrá metoda k detekci rychlé změny vysokofrekvenčního proudu.
2. Bezpečný provoz z hlediska manipulace se sekundárním vinutím.
3. Nízkonákladové řešení.
4. Flexibilita při manipulaci díky konstrukci otevřené smyčky.
5. Teplotní kompenzace není složitá.

Nevýhody:

1. Vhodné pouze pro AC
2. Má nízkou citlivost než transformátor proudu.

Rogowského cívka má širokou škálu použití. Například měření proudu ve velkých výkonových modulech, zejména napříč MOSFETy nebo vysoce výkonnými tranzistory nebo přes IGBT. Rogowského cívka poskytuje flexibilní možnost měření. Vzhledem k tomu, že odezva Rogowského cívky je velmi rychlá na přechodové nebo vysokofrekvenční sinusové vlny, je dobrou volbou pro měření vysokofrekvenčních proudových přechodů v elektrických vedeních. V distribuci energie nebo v inteligentní síti poskytuje Rogowského cívka vynikající flexibilitu pro měření proudu.

Metoda snímání proudu transformátoru proudu

Proudový transformátor nebo CT se používá k snímání proudu sekundárním napětím, které je úměrné proudu v sekundární cívce. Je to průmyslový transformátor, který ve své sekundární cívce převádí velkou hodnotu napětí nebo proudu na mnohem menší hodnotu. Měření se provádí přes sekundární výstup.

Na obrázku výše je znázorněna konstrukce. Je to ideální transformátor CT s primárním a sekundárním poměrem 1: N. N závisí na specifikacích transformátoru. Další informace o transformátorech najdete zde.

Profesionálové:

1. Velká proudová manipulační kapacita, více než jiné metody uvedené v tomto článku.
2. Nevyžadují další obvody.

Nevýhody:

1. Vyžaduje údržbu.
2. Hystereze nastává v důsledku magnetizace.
3. Vysoký primární proud saturuje materiály feritového jádra.

Hlavní použití techniky snímání proudu založené na transformátoru CT je v energetické síti kvůli velmi vysoké kapacitě měření proudu. Několik klešťových měřičů také používá pro měření střídavého proudu transformátor proudu.

Metoda snímání proudu bočního rezistoru

Toto je nejpoužívanější metoda v současných technikách snímání. Tato technika je založena na Ohmově zákoně.

Pro snímání proudu se používá sériový rezistor s nízkou hodnotou. Když proud protéká rezistorem s nízkou hodnotou, vytváří rozdíl napětí napříč rezistorem.

Vezměme si příklad.

Předpokládejme, že 1A proud protéká odporem 1 ohm. Podle ohmova zákona je napětí ekvivalentní proudu x odpor. Z tohoto důvodu, když 1A proudu přes odpor 1 ohm, bude vyrábět 1V na odporu. Příkon rezistoru je rozhodujícím faktorem, který je třeba vzít v úvahu. Na trhu jsou však také k dispozici rezistory s velmi malou hodnotou, kde je odpor v mili-ohmovém rozsahu. V takovém případě je rozdíl napětí napříč rezistorem také velmi malý. Ke zvýšení amplitudy napětí je zapotřebí zesilovač s vysokým ziskem a nakonec se proud měří pomocí obráceného výpočtu.

Alternativním přístupem pro tento typ techniky snímání proudu je použití stopy PCB jako bočníku. Protože měděná stopa desky plošných spojů nabízí velmi malý odpor, lze ji použít k měření proudu. V takovém alternativním přístupu je však několik závislostí také velkým problémem získat přesný výsledek. Hlavním faktorem měnícím hru je driftování teploty. V závislosti na teplotě se změní stopový odpor, což vede k výsledku chyby. Tuto chybu v aplikaci je třeba kompenzovat.

Profesionálové:

1. Velmi nákladově efektivní řešení
2. Může pracovat v AC a DC.
3. Další vybavení není nutné.

Nevýhody:

1. Nevhodné pro provoz s vyšším proudem kvůli odvodu tepla.
2. Měření bočníku poskytuje zbytečné snížení účinnosti systému kvůli plýtvání energií přes rezistor.
3. Tepelný drift poskytuje chybový výsledek při vysokoteplotní aplikaci.

Aplikace Shunt rezistoru zahrnuje digitální zesilovač. Jedná se o přesnou a levnější metodu než snímač Hall Effect. Bočníkový odpor může také poskytovat cestu s nízkým odporem a umožňuje elektrickému proudu procházet jedním bodem do druhého bodu v obvodu.

Jak vybrat správnou metodu snímání proudu?

Výběr správné metody pro snímání proudu není obtížná věc. Při výběru správné metody je třeba vzít v úvahu několik faktorů, například:

1. Kolik přesnosti je potřeba?
2. Měření DC nebo AC nebo obojí?
3. Kolik energie je potřeba?
4. Jaký je aktuální rozsah a šířka pásma, která se má měřit?
5. Kalkulace.

Kromě těch je také třeba vzít v úvahu přijatelnou citlivost a potlačení interference. Protože každý faktor nelze uspokojit, jsou provedeny některé kompromisy, které kompromitují jednu funkci s druhou v závislosti na prioritě požadavku aplikace.