Интегрални схеми и компоненти за измерване на токове – част 1

Олег Костадинов

В качеството на първични преобразуватели, датчиците за ток са базов компонент на системите за автоматизация на производството и управление на технологични процеси. Понастоящем около 15% от всички електрозадвижвания са с управление с обратна връзка, което позволява да се икономиса до 50% електроенергия. Такова управление обаче е невъзможно без контролиране на тока. Специализирани датчици се използват също за определяне на дисбаланса на токове, наблюдение и диагностика на електрически вериги, задействане на защитни схеми, откриване на отказ на електрическото оборудване и аварийни състояния на различни видове товари.

Основният ограничителен фактор на съвременните методи за бързо зареждане на батерии е топлоотделянето в мястото на разположение на акумулаторите, което ограничава максимално допустимото предаване на енергия и по този начин определя минимално възможното зарядно време.  От друга страна, перспективният начин за зареждане на акумулаторите е бързият заряд. За осигуряване на висока ефективност на устройството за зареждане е необходимо да се използва точен контур за управление, с подаване на точно необходимия ток при достигане на точно определено ниво на зареждане. Това управление се реализира чрез специализирани интегрални схеми с прецизни токови сензори.

Съществуват множество методи за измерване на ток, но най-разпространени са с използване на:

• токоизмервателен шунт;
• токов трансформатор;
• бобина на Роговски;
• елемент на Хол;
• наситен дросел (Fluxgate);
• магнитосъпротивлениe.

Датчиците за ток се отличават и по вида на изходния сигнал - линейно напрежение (CSL); токов изход (CSN) и цифров изход (CSD).

За напрежителния и токовия изход е важно да се обезпечат елементи с нисък фабричен толеранс и постояннотоково (DC) отместване, за да се спести хардуер за тяхното компенсиране. При устройствата с цифров изход токовите датчици са само входната част от измервателната схема, която най-общо продължава с операционен усилвател, усилващ сигнала от датчиците до ниво, подходящо за последващ АЦП, числата от който накрая се обработват в микропроцесор за получаване на стойностите на тока и евентуално на напрежението, мощността и енергията - фиг. 1.

В Таблица 1. синтезирано са представени характерните параметри, особености, предимства и недостатъци на датчиците, чрез които се реализират изброените по-горе методи за измерване на ток.

Настоящата статия обхваща датчиците с токоизмервателен шунт и с токов трансформатор. Измерването на ток с бобина на Роговски, елемент на Хол, наситен дросел и магнитосъпротивление ще бъде разгледано в следващ брой на списанието.

Параметри 1 до 6 от таблицата определят крайната точност на измервателната схема. С еднократно калибриране при производството на платката могат да се “оберат” параметри 1 и 2, като в EEPROM се заложат умножаващ и добавян коефициент. Фабричният толеранс се премахва, като всяко число от АЦП се умножава по умножаващия коефициент. Например, ако измервателното съпротивление е 100,1 mΩ, вместо 100 mΩ, то умножаващият коефициент е 0,999 = 100/100,1.

Изместването се премахва с добавяне на ± коефициент, когато се измерва постоянен ток. За променлив ток има постояннотоково изместване само при шунтовете. В този случай изместването не може да се премахне с добавяне на коефициент. Един от методите е с бързо преобразуване на Фурие да се отсеят само нужните хармоници, в които разбира се, отсъства постоянната съставка. Останалите 3-ти до 6-и параметър не могат да се калибрират. 6-и параметър не внася грешка при токов изход - не е податлив на смущения.

Един пример: 4 mΩ шунт с температурен коефициент 50 ppm/°C, e монтиран на печатна платка FR4. Калибрираме при 230 V и 1 A, и виждаме грешка 0%. При 10 A разликата в температурата спрямо 1 A е 26°C, a при 15 A повишението на температурата спрямо 1 A е 48°C. Така получаваме следните грешки:

0,13% = 1300 ppm = 50 ppm * 26°C, при 10 А

0,24% = 2400 ppm = 50 ppm * 48°C, при 15 А

Показаните примери са за шунт, но подобно калибриране би могло да се прави с всички видове датчици.

Датчици с токоизмервателен шунт

Методът с директно измерване на пад на напрежение от шунт е най-често прилаганият, което се обяснява с простотата на неговото използване и ниската му цена. Практически е невъзможно да се намери или замисли електронно устройство, в което да не се прилагат резистивни датчици на ток. Използва се токочувствително съпротивление или шунт (current sensing resistor, shunt), имащ стабилен температурен коефициент <0,01% (

Най-често шунтовете се правят от манганин (сплав от мед, манган и никел). Ако шунтът е предназначен за малък ток (до 30 – 50 A), тогава той обикновено е вграден в корпуса на устройството. Уреди с външни шунтове се използват за измерване на големи токове.

Галванично развързване се постига, ако операционният усилвател се замени с изолиран. Характерен пример е AMS1302 на Texas Instruments с 0,05% типична грешка в целия диапазон на измервания ток и на работната температура.

Шунтът, представен на фиг. 2 е за голям ток (< 150 A), със съпротивление стотици или десетки микроома. Има медни накрайници (Electrode), които служат за закрепване и отвеждане на топлината от съпротивителната сплав (Resistive Element) между тях. Шунтът се свързва последователно във веригата чрез винтове в отворите. Измервателният блок се присъединява към потенциалните точки Voltage pin, между които е затворено съпротивлението на шунта. При такова включване на измервателния блок се отстраняват грешките от контактни съпротивления.

Има значение къде се свързва шунта – преди или след товара, и съответно усилвателите биват за измерване от страната на високия потенциал (захранването, High Side) или от страната на ниския потенциал (земята, Low Side) – таблица 2. Вижда се, че при късо съединение шунтът в захранването може да го открие, защото продължава да участва във веригата на тока – фиг. 3.

Предимства на измерване с шунт:

• простота на монтиране;
• добра линейност;
• способност за измерване на постоянен и променлив ток;
• няма нужда от външно захранване. 

Недостатъци на измерване с шунт:

• отсъствие на галванична изолация;
• внасяне на загуби в измервателната верига;
• наличието на паразитна индуктивност в повечето мощни съпротивления води до ограничаване на честотната лента.

В таблица 3 са обобщени параметрите на токоизмервателни шунтове от водещи производители. Приборите се реализират по 4 технологии – тънкослойни (Thinfilm), метална лента (MetalStrip), метални SMD и метални за TH монтаж (Leaded), на които отговарят 4-те реда в таблицата. Минималните и максималните стойности са съответно най-малката и най-голямата стойност, намерена у някой от производителите.

Компанията Bourns произвежда 40 модела токочувствителни съпротивления. От тях PΩR4412-2S е за TH монтаж, като е най-точен, с 20 ppm/°C. Останалите 39 са за повърхностен монтаж. Диапазонът на работните температури обхваща от -55 до +155/+170°C, като номиналната мощност се дава за температура до 70°C. За двете метални серии CSS и CSM2F декларираната грешка 50 ppm/°C е за съпротивителната сплав, но заедно с медната шина реалната грешка е от ±75 до ±200 ppm/°C. За останалите серии декларираната и реалната грешка съвпадат – 50 ppm/°C за CRF и CRK с метална лента; 100/150/200 ppm/°C за CRM с тънкослойна технология.

Четирите групи токочувствителни съпротивления влизат в производствената програма на КОА, като две от тънкослойните серии – SL и UR са с допустима грешка 500 ppm/°C. Сериите, реализирани с метална лента, са с грешки от 50 до 100 ppm/°C, което ги прави подходящи за точни измервания. Някои от металните шунтове на KOA се монтират плътно върху платката, а други – с въздушна междина, за да не я загряват. Те са с 2 или 4 извода, като шунтовете от серия HS може да се монтират чрез завинтване (без запояване). Сериите за TH монтаж са две – с П-образни проводници със 100 ppm/°C и корпусирани с 350 ppm/°C.

В продуктовата гама на TT Electronics също присъстват 4-те технологии. В тънкослойната серия LR и серията с метална лента LC максималното съпротивление е 1 Ω, докато при други производители достига мегаоми. За отбелязване е MFC0402 със своеобразен рекорд от 100 ppm/°C до 5 А в корпус 0402, както и LCS0603 с 50 ppm/°C в корпус 0603 до 0,7 А.

50-ватовите шунтове със завинтване на Vishay се отличават с най-малка грешка - 20 ppm/°C. Минимална (35 ppm/°C) е грешката и при шунтовете с метална лента. Освен 4-те стандартни технологии производителят е добавил технология за високомощни (1000 до 36 000 W) шунтове, монтиращи се на радиатори и дори такива с водно охлаждане. Само един от 30-те мощни модела GREM е със 130 ppm/°C, останалите серии GRE1,2,3 са с 365 ppm/°C. Съпротивленията им са от 20 mΩ до 24 Ω с 10% фабричен толеранс. 

Тънкослойните серии на Yageo са RL, PT и PE, като последната е най-точна. Заслужава да бъде отбелязан приборът PE0201 с корпус 0201 (0,5x0,25 mm), какъвто не се среща при други производители. При това той е с добра точност – 100 ppm/°C и ток до 1 А. 

Компанията Wuerth Elektronik произвежда 6 модела, по 3 за всяка от двете технологии. Тънкослойните шунтове са с грешка от 100 до 350 ppm/°C и се предлагат в корпуси от 0402 до 2512 и 1225. Шунтовете, реализирани по технологията с метална лента, са с грешка 100 ppm/°C, като корпусите им са 0603 до 2043.

Токови трансформатори

В конструктивно отношение токовите трансформатори (ТТ) са изпълнени във вид на сърцевина, върху която са навити една или повече вторични изолирани намотки. Първичната намотка може също да бъде реализирана във вид на бобина, навита на сърцевината, или под формата на шина, минаваща през отвора на тороида. В някои конструкции изобщо не е предвидена вградена първична намотка, а тя се монтира от потребителя чрез прокарване на проводника през специален отвор. Намотките и сърцевината са затворени в корпус за изолиране и защита на намотките.

Вторичните намотки на токовия трансформатор задължително се натоварват. Съпротивлението на товара Rburden е строго регламентирано от изискванията за точността на коефициента на трансформация (фиг. 4). Незначително отклонение на съпротивлението на вторичната верига от номинала води до промяна в грешката от преобразуване и евентуално влошаване на измервателните качества на трансформатора. От друга страна, значителното увеличаване на съпротивлението на товара създава във вторичната верига високо напрежение, достатъчно за пробив в изолацията на трансформатора, което би го извело от строя. Напълно отворената вторична намотка на токовия трансформатор не създава компенсиращ магнитен поток в сърцевината, магнитният поток, създаден от първичната намотка, има много висока стойност и загубите в магнитопровода водят до силно нагряване, което представлява и заплаха за живота на обслужващия персонал.

Коефициентът на трансформация на измервателните токови трансформатори е тяхна основна характеристика. Номиналното (идеално) съотношение е посочено на табелката на трансформатора като отношение на номиналния ток на първичната (първичните) намотки към номиналния ток на вторичната (вторичните) намотки, например 100/5 A или 10-15-50-100/5 A (за първични намотки с няколко секции).

При това реалното съотношение на трансформация е малко по-различно от номиналното. Това различие се характеризира с величината на грешката от преобразуване.

Предимства на токовите трансформатори:

• наличие на галванично развързване с високо пробивно напрежение;
• измерват се токове до няколко kA;
• висока точност на измерване.

Недостатъци:

• работят с мрежова честота и не могат да се използват в постояннотокови вериги;
• променят фазата на сигнала и изискват компенсация.

Интересни са 7 от 12-те модела, завършващи на xxx420L, в гамата токови трансформатори на LEM – те имат токов изход 4...20 mA, формиран от вградена в корпуса на трансформатора електроника, захранвана с 24 VDC. Честотната им лента е от 10 Hz до 6 kHz, а измерваните токове – от 5 до 2000 A. Останалите 5 модела са без външно захранване, измерват ток от 5 до 200 A и честота 50/60 Hz. Два от тях (серия TT) са с фиксиран измерван ток 50 и 100 A, имат токов изход 0...16 mA и 0...32 mA, а другите три са с изход напрежение 0...5 V и/или 0...10 V. Всички модели, освен серията TT, имат възможност за избор на обхвата на измервания ток измежду 3 до 9 варианта. Температурният им диапазон е -20 до +50/60/70°C – за работа в закрити помещения в промишлеността.

Компанията TT Electronics произвежда 7 серии токови трансформатори. Първичният им ток e от 5 до 20 A, а преводното отношение – от 1:30 до 1:200. Приборите от двете серии за повърхностен монтаж са с размери 8x7x5 mm и работна температура от -40 до +130°C. Петте серии за запояване в отвори на платка са с размери 17x10x22 mm, като 12 от 14-те модела във всяка серия са с отвор в средата на тороида за прокарване на първичния ток.

Две серии токови трансформатори за повърхностен монтаж с честота до 1 MHz и диапазон на работните температури от -40 до +125°C произвежда Wuerth Elektronik. Серията EE4.4 е с размери 5x5x4 mm, първичен ток 7 A, първично напрежение до 700 V и включва 9 модела трансформатори с различни преводни отношения от 1:20 до 1:150. Серията EE5 е с размер 8x7x5 mm, първичен ток 20 A, първично напрежение до 500 V и съдържа 8 модела трансформатори с преводни отношения от 1:20 до 1:125. Типичните им приложения са в импулсни захранвания, за откриване на променлив ток, като детектор на претоварване или изключване на товара, за отчитане на високочестотен ток.

Интегрални схеми за измерване

Две серии с по 3 модела операционни усилватели (ОУ) за измерване на пад на напрежение върху шунт произвежда компанията Analog Devices. При AD82xx входните потенциали са от -2 до 45/65 V, захранването е 5 V, а изменението на усилването – 10/30 ppm/°C. Подобни са и параметрите на серия AD84xx, но при нея изменението на отместването е 0,1 mV/°C. Предлагат се в корпуси SOIC8, MSOP8 и SOT23-5

Операционните усилватели за измерване пад върху шунт на Maxim Integrated са разделени на 3 групи.

Прецизните токочувствителни усилватели са с ниско отместване за измерване на десетки ампери през нискоомни шунтове. Само MAX9934 е с токов изход, останалите са с напрежителен. Високоволтовите токочувствителни усилватели са удобни за мерене “в захранването”, с допустима дисперсия на входните потенциали от -20 до +76 V. Подходящи са за управление на електродвигатели. Само MAX4172 е с токов изход, MAX9611/2 са с изход I2C от 12 битов АЦП, а останалите са с напрежителен. Нано- и микромощните токочувствителни усилватели са с малки размери, подходящи за регулиране зарядния ток на батерии. Само MAX9928Fе с токов изход, останалите са с напрежителен.

Дванадесет модела интегрални схеми, реализиращи измерване на ток и напрежение върху шунт, прекарване през АЦП и изчисляване на мощност произвежда компанията Microchip. Пет от тях мерят и температура, други 4 изчисляват енергия. Всички имат цифров изход I2C и SMBUS. Обособени са 3 серии. EMC17 е с типично приложение в страната на високия потенциал на батерии или регулатори на напрежение. Тя осъществява измерване на температура и съдържа двупосочни схеми за откриване на пикови сигнали, за да сигнализира токови пикове с програмируема продължителност на времето и праг на величина. Входният обхват е ±10/±20/±40/±80 mV с 0,9% точност в целия диапазон. Корпусът е 4x4 mm QFN.

Серията PAC19 може да изчислява и натрупва в регистри енергията в период от 1 ms до 36 часа, изпълнява калибриране в реално време, не се нуждае от входни филтри, а обхватът й е ±100 mV с 0,9% точност в целия диапазон. Предлага се във варианти с 1 до 4 измервателни канала. Microchip произвежда и два модела операционни усилватели за усилване на напрежение от шунт с потенциал на входа 3 до 65 V, единично или сдвоено захранване 2 до 5 V и корпус SOT-23-6.

Интересни са двата модела монитори на мощност ISL28023/25 на Renesas. Те включват сензор за ток с мерене в страната с висок и в страната с нисък потенциал, плюс монитор за напрежение. След прекарване през АЦП се прави изчисляване на мощността, а изходът им е сериен интерфейс I2C, SMBUS или PMBUS. Използват се при следене на захранвания, RF системи и за високоволтови приложения. Входните потенциали са до 60 V, 0,05% грешка (16-битов АЦП), разполагат с изходи за OVP, UVP, OCP, както и допълнително вградени ЦАП, регулатор на напрежение и температурен сензор.

Токочувствителните операционни усилватели за измерване на пад на напрежение върху шунт или burden съпротивление във вторичната намотка на токови трансформатори на STMicroelectronics са обособени в 2 групи – високоволтови и прецизни. Възможността за измерване при високи напрежения и защитните механизми за справяне с отрицателните напрежения при високоволтовите операционни усилватели са от съществено значение при мощни енергийни системи (например батериите в електрически превозни средства). Те усилват двупосочен ток, като са чувствителни към много ниски падове на напрежение до 10 mV, при това в широк диапазон на входния потенциал от -20 до +70 V, независимо от захранващото напрежение 2,7... 5,5 V. Налични са версии както от автомобилен, така и от индустриален клас. Използването на прецизни токови усилватели позволява на конструкторите да измерват малки падове на напрежението в шунтиращите резистори с минимална грешка. Необходими са малки стойности на резисторите, за да се сведе до минимум разсейването на мощността. Това от своя страна обаче прави пада на напрежение много нисък, за да бъде уловен от усилвателя, тъй като е съизмерим с нивото на шумовете, от които трябва да бъде отсят. Грешката в усилването е малка – 25 ppm/°C, което е 0,3% в целия температурен диапазон. Отместването обаче не е добро – 5 mV/°C дава 700 mV в целия температурен диапазон (700 mV на 24 mV обхват на входа за TSC2012 е грешка 3%).

Добрият токочувствителен усилвател трябва да притежава висока точност и възможност за работа с големи синфазни напрeжения. Типичен пример тук е INA180 на Texas Instruments с 1 mV/°C при Vin=12 V и общо отместване 150 mV. Грешката на усилването е 20 ppm/°C. Най-големият недостатък на шунтовете, липсата на галванично развързване, се елиминира с прецизните изолирани усилватели, притежаващи  съизмерими с неизолираните усилватели параметри. AMC1302 е най-непретенциозният от 7-те модела на TI, с ±0,05% типична и 0,3% максимална грешка на усилването в целия входен диапазон с ±15 ppm/°C типичен и ±50 ppm/°C максимален дрейф.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг Ревю