Jak můžete měřit proud?

Měření proudu slouží ke sledování různých parametrů, jedním z nich je výkon na zátěži. Existuje mnoho čtecích prvků pro měření proudu procházejícího zátěží. Jejich výběr je dán potřebami každého konkrétního zařízení a také velikostí měřeného proudu. V tomto článku probereme tři různé typy komponent pro snímání proudu.

1. Boční odpory
Bočníky a bočníkové rezistory jsou nejjednodušší verzí prvků pro snímání proudu. Stačí si zapamatovat teplotní koeficient odporu (TCR) rezistoru a vyhnout se jeho zahřívání. Připomeňme si základní pravidlo pro výběr rezistoru snímajícího proud: jeho maximální přípustný výkon by měl být alespoň dvojnásobek provozního ztrátového výkonu.

Změna teploty rezistoru v závislosti na velikosti proudu, který jím protéká, je přímo úměrná poměru jmenovitého výkonu k výkonu ztrátovému.

Při výběru rezistoru se snímáním proudu je nutné vzít v úvahu tepelný odpor jeho těla. Tento parametr, který představuje tepelný odpor mezi rezistorem a jeho vnějším povrchem, je hlavním indikátorem, který určuje nárůst teploty rezistoru. V tabulce jsou uvedeny tepelné odpory standardních obalů pro povrchovou montáž.

Šířka vodiče
Při návrhu desky plošných spojů je nutné, aby její měděné vodiče vydržely maximální proud požadovaný zařízením.
Pro každé zařízení je nutné najít rozumný kompromis mezi tloušťkou, šířkou vodičů a cenou.

Topologie
Délka vodičů mezi proudoměrným rezistorem a měřicím obvodem by měla být co nejkratší, aby se snížil nejen odpor vodiče, ale i jeho parazitní kapacita a indukčnost, které mohou způsobit chybu při čtení rychle měnící se proud.

Připojení signálových vodičů k rezistoru pro snímání proudu
Doporučuje se použít rezistor pro snímání proudu se čtyřmi
závěry. Pokud jsou z nějakého důvodu použity dvousvorkové odpory, musí být signální vedení umístěno pod rezistorem snímajícím proud, kde se připojuje k podložce PCB.

V mnoha případech je šířka odporů snímajících proud menší než šířka proudových přípojnic. Vodiče jsou k těmto lištám připojeny pod úhlem 45°, aby byl zajištěn rovnoměrný tok proudu.

Magnetické rušení
Velikost magnetického pole generovaného vodičem je přímo úměrná proudu procházejícím vodičem a nepřímo úměrná vzdálenosti k bodu měření. Je třeba mít na paměti, že vodiče signálu s vysokou impedancí by neměly být umístěny paralelně s vodiči vysokého proudu. Vyhněte se křížení vodičů s vysokými proudy. Pokud to z nějakého důvodu není možné, doporučuje se umístit tyto vodiče kolmo na sebe a překřížit vrstvu, která je nejdále od vodiče signálu, aby se omezil vliv rušení.

2. Obvody s aktivními odpory

Uvažujme návrh obvodů snímajících proud s aktivními odpory (stejnosměrný odpor, DCR), které nezpůsobují dodatečné ztráty v měřicím řetězci.

Typicky se odporové obvody používají v nízkonapěťových aplikacích, kde úbytek napětí na rezistoru snímajícím proud představuje významný zlomek napájecího napětí dodávaného do zátěže.
Odporový proudový snímací obvod je alternativou k proudovým snímacím odporům. K měření zatěžovacího proudu využívá parazitní odpor induktoru. Tento obvod dálkově měří proud přes induktor pulzního obvodu regulátoru. Vzhledem k absenci komponent instalovaných v sérii s regulátorem na zátěži obvod pracuje beze ztrát.
Pro správně přizpůsobený obvod DCR je efektivní impedance na straně ADC rovna odporu induktoru. Obrázek ukazuje jednoduchý odporový obvod pro měření zatěžovacího proudu buck převodníku.

Přečtěte si více

Jak diagnostikovat vadný expanzní ventil?

Návrh obvodu DCR, který není vybaven funkcí nastavení, zvyšuje chybu měření až o 35%, což je způsobeno šířením hodnot indukčnosti a kapacity v tomto obvodu. V některých případech se chyba měření může zvýšit až na 50 %. Ale použití jednoduchého vyrovnávacího obvodu s energeticky nezávislými digitálními potenciometry (DCP) výrazně zlepšuje přesnost měření proudu.

Obvody DCR tedy nezanášejí ztráty a zabírají málo místa na desce plošných spojů. Protože tato řešení vyžadují přizpůsobení, aby správně fungovala, jsou při výrobě zařízení na nich založená další opatření. Velké tolerance odchylek hodnot reaktivních složek mohou vést k širokému rozptylu hodnot mezi efektivními odpory obvodů. Velké teplotní koeficienty tlumivek a kondenzátorů zvyšují chybu obvodu. Obecně lze odporovou obvodovou architekturu považovat za dobrou pro měření velkých proudů.

3. Hallovy senzory
Podívejme se na Hallovy senzory. Typicky tyto senzory, určené pro silnoproudé přístroje, detekují proud procházející vodičem měřením indukce jeho magnetického pole. Vzhledem k tomu, že proud je měřen vzdáleně, Hallovy senzory fungují beze ztrát. Tato zařízení jsou určena pro systémy s proudy nad 200 A, protože. Výkon rozptýlený odporem snímajícím proud je poměrně velký.

Obrázek znázorňuje základní koncept metody měření proudu Hallovým jevem. V tomto obvodu je proud vodičem určen měřením indukce jím generovaného magnetického pole B Velikost pole je přímo úměrná protékajícímu proudu a je určena jeho směrem.
Lineární Hallovy senzory jsou aktivní obvody, které spotřebovávají proud 3-10 mA. Hladina šumu těchto snímačů je asi 25 mV nebo 5 Gauss. Tato zařízení nejsou vhodná pro zařízení s nízkými proudy nebo velkými vzdálenostmi mezi vodičem a snímačem z důvodu vysokého šumu a proudového odběru.

Při měření slabých magnetických polí je třeba vzít v úvahu podmínky, ve kterých se signální vodič a snímač provozují. Lineární Hallovy senzory měří celkové magnetické pole v místě samotného senzoru. Proudové vodiče umístěné v blízkosti snímače mění velikost měřeného magnetického pole a zhoršují přesnost odečtů. Snímač také reaguje na další vnější magnetická pole, která se vyskytují při sepnutí motoru nebo jiného zařízení generujícího energii.

Pro omezení vlivu vnějších magnetických polí na snímače se používá magnetické stínění, které obklopuje vodič s proudem. Obrázek ukazuje příklad použití kovového pouzdra (Faradayova klec) pro stínění vodiče a snímače.

V poslední době se na trhu objevily Hallovy senzory s integrovaným vodivým kanálem, kompenzačním obvodem a ochranným štítem. Integrace vodivého kanálu do snímače usnadňuje výpočet výstupního signálu jako funkce proudu procházejícího vodičem. Jednočipové řešení zjednodušuje návrh zařízení a vývoj aplikací pro měření proudu pomocí Hallova senzoru.

Přestože byla v poslední době vylepšena konstrukce snímačů s Hallovým efektem, zvýšila se jejich přesnost a odolnost vůči rušení, použití této technologie je omezeno na silnoproudé přístroje. Hallovy senzory rozptylují méně energie než bočníkové odpory.

Přečtěte si více

Kolik stojí 1 kg tuňáka obecného?

Boční odpory jsou nejběžnějšími prvky snímajícími proud kvůli jednoduchosti návrhu obvodu a jeho ceně, stejně jako přesnosti měření. Obvody DCR jsou určeny pro zařízení se spínacími regulátory a nízkým regulovaným výstupním napětím díky dálkovému snímání proudu. A konečně, snímače s Hallovým efektem jsou navrženy pro aplikace s vysokým proudem, protože jejich ztrátový výkon je menší než u řešení s bočníkovým odporem.

Každé ze tří zvažovaných řešení má své výhody a nevýhody. Protože bočníkové rezistory rozptylují energii, je energetická účinnost řešení založených na těchto součástech relativně nízká. Navíc u zařízení s nízkým napětím může být velikost úbytku napětí na rezistoru snímajícím proud přiměřená provoznímu napětí, což je nepřijatelné. Činnost obvodu využívajícího aktivní odpor (DCR) závisí na přizpůsobení kondenzátoru a induktoru. Obě součásti mají velké tolerance a vysoké teplotní koeficienty. Senzor Hallova efektu je citlivý na okolní hluk a jeho použití je komplikováno konstrukčními omezeními. Přes zdokonalení této technologie zůstává přesnost měření limitujícím faktorem její aplikace.