Интегрални схеми и компоненти за измерване на токове – част 2

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2021 • 01.06.2021

 

  • Методът, базиран на бобина на Роговски, намери втори живот в съчетание със съвременните широкодостъпни DSP

  • Малките размери на токовите сензори с елемент на Хол, комбинирани с висока надеждност, обуславят широкото им разпространение в различни типове електрозадвижвания

  • Преимуществата на датчиците с наситен дросел включват висока разделителна способност, висока точност, малко отместване и дрейф на усилването

  • Магниторезистивните сензори използват ефекта на изменение на омичното съпротивление на материала в областта на магнитно поле

 

Олег Костадинов

В  първата част на статията, публикувана в бр. 1/2021 на списанието бяха разгледани съвременните токови сензори, базирани на токоизмервателни шунтове и сензорите с токови трансформатори. Специално внимание бе отделено на интегралните схеми за измерване на пад върху шунтове или върху съпротивлението на товара на токови трансформатори. Тук ще продължим с останалите видове токови сензори, базирани на бобина на Роговски, елемент на Хол, наситен дросел (Fluxgate) и магнитосъпротивление.

 

Токови сензори с бобина на Роговски

Аналогичен на токовите трансформатори (ТТ) метод на измерване се използва в датчиците, получили названието бобина на Роговски (Rogowski coil). Единствената разлика с TT е, че бобината на Роговски няма сърцевина и следователно нейната индуктивност е по-малка от тази на токовите трансформатори (фиг. 1).

За разлика от останалите датчици, изискващи взаимодействие с измерваната верига, бобината на Роговски може да се разположи върху проводниците на веригата като пояс. За да се възстанови формата на измерения ток, е необходимо да се интегрира полученото напрежение VOUT, като се добави интегратор в блока за електронна обработка на сигнала. Методът, базиран на бобина на Роговски, намери втори живот в съчетание със съвременните широкодостъпни процесори за обработка на сигнали (DSP), оборудвани с вградени АЦП и използвани в дадения случай за точно цифрово интегриране. В резултат бяха разработени промишлени датчици, в които грешката на измерване на тока в обхват от 70 mA до 70 A не надвишава 0,1% при 25°C.

Друг вариант на този метод е заобикалянето на първичния проводник с няколко правоъгълни рамки от вторични проводници, разположени перпендикулярно на магнитния поток и последователно свързани помежду си.

  • Предимства на токовите сензори с бобина на Роговски:
  • в сравнение с ТТ са по-компактни и леки;
  • работят в широка честотна лента;
  • тъй като нямат сърцевина, няма и насищане.

 

Недостатъци:

  • влияят се от външни магнитни полета;
  • имат по-малка точност;
  • не дават възможност за измерване на постоянен ток.

Типичните приложения на токови датчици с бобина на Роговски са във външни и подземни подстанции, за следене на разпределителни трансформатори, въздушни линии, оборудване на разпределителни системи.

Характерен представител на сензорите с бобина на Роговски е фамилията токови датчици на LEM ARU-B100-Dффф/SPm, където ффф е диаметърът (125/175/250/300 mm) на обгръщания първичен проводник, а m – дължината на вторичния проводник (пояса), включва 12 модела. Входният обхват е до 1000 A през първичния проводник с честота 50/60 Hz при 10 kA/V, а изходът е до 100 mV. Допълнително е необходим електронен интегратор. Класът на точност е 0,5% при позициониран първичен проводник или с грешка <0,75%, независимо от позиционирането на първичния проводник. Има идеална линейност и е без насищане (няма магнитопровод). Диаметърът на вторичния проводник (на пояса) е 10,4 mm.

Серията PRIME на същия производител включва 4 модела токови датчици. Измерваният ток е от 2 до 400 A, захранват се с 12…24 VDC, честотната им лента е от 30 Hz до 6 kHz, грешката е 1%, отворът за първичния проводник е с диаметър 19 mm, изходът е напрежителен 0...5/10 V или токов 4...20 mA.

Интересна е серията RA, отново на LEM, предназначена за откриване на честотни интерференции в електротранспорта, където се използва постоянен ток от порядъка на хиляди ампери. Там тези датчици откриват променливотокови съставки от 0,1 AAC до 20 AAC. Семейството датчици RA не изисква захранване, грешката е 3%, а честотната лента – от 20 Hz до 3 kHz. Съдържа 6 модела с отвори от 42 до 102 mm и измервани токове от 1000 до 4000 ADC, като моделът RA 2000-T/SP2 е с вградена шина.

С бобина, реализирана под формата на писти върху кръгла платка, е токовият сензор LCR011 на TT Electronics (фиг. 2). Измерваният ток е от 400 до 2000 AAC с честота до 5 MHz. Изходът е пропорционален на стръмността на изменението на тока (dI/dt) с чувствителност 0,0424 mV/A. Външните размери са 124x84 mm, а диаметърът на вътрешния отвор е 35 mm.

 

 

LCR011 не може да се използва самостоятелно. Върху него се включват допълнителни платки. Първата (LCR012) е усилвател на стръмността на изменението на тока dI/dt с диференциален изход ±2 V и честотна лента 30 Hz до 1 MHz. Втората (LCR013) – има интегратор, чийто изход се усилва от усилвател с диференциален изход ±2 V. Третата (LCR014) има интегратор, чийто изход се усилва от два усилвателя с диференциални изходи ±2 V. Това дава възможност единият канал да бъде с 600 A номинален ток, а вторият канал – с 2000 A преходен ток.

 

Токови сензори с елемент на Хол

Ефектът на Хол представлява генериране на напрежение между краищата на полупроводникова пластина, които са перпендикулярни на посоката на тока, създаващ магнитно поле, пронизващо пластината. Генерираното напрежение достига стойности от VH > ±110 mV/kG (миливолта на килогаус). Малките размери на сензорите, комбинирани с висока надеждност, обуславят широкото им разпространение в различни типове електрозадвижвания, в това число и в транспорта.

 

 

  • Токовите сензори, базирани на ефект на Хол, биват два типа (фиг. 3):
  • с отворен контур, с директно усилване на изходно напрежение;
  • със затворен контур, компенсационни, с изходен ток, прекарван през шунт.

 

Токови сензори на Хол с отворен контур

Класическият вариант е с прекъснат магнитопровод, в чийто изрез е разположен датчик на Хол, който се пронизва от магнитното поле, създадено от измервания ток IP (фиг. 4). Напрежението, генерирано от датчика на Хол, е пропорционално на първичния измерван ток. То е с малка стойност и подлежи на усилване с операционен усилвател. Вариантът без сърцевина позволява да бъде реализиран в интегрални схеми.

  • Предимства на токовите сензори на Хол с отворен контур:
  • относителна простота, малки габарити;
  • галванично развързване на изхода от входа;
  • измерват постоянен и променлив ток;
  • измерват ток от няколко ампера до хиляди ампери;
  • отсъствие на вътрешни загуби.

 

Недостатъци:

  • намагнитването на сърцевината води до нелинейност;
  • имат стеснен честотен диапазон;
  • имат по-ниска точност.

 

Обхватът на номиналния измерван ток при произвежданите от LEM модули с отворен контур е от 2,67 до 20 000 А. Има варианти с по 2 датчика в корпус (например HXD 25-P е за Ipn=2х25 A при Ip=2x75 A), както и с по 3 датчика в корпус (например HTT 25-Pе за Ipn=3х25 A при Ip=3x75 A). Захранването е +3,3/+5/±12/±15 V. Изходът бива напрежителен с обхват в зависимост от захранващото и опорното напрежение или токов 0...16 mA, 0...20 mA, 4...20 mA, 0...33 mA. Сериите HOP, HTR и HT са с разделяеми сърцевини, а останалите четири HO, HX, HL, HA – с монолитни.

Характерна особеност на сериите HLSRxx-PW, HOxxx-NPW, HOxxx-SW е цифровизирането на напрежителния изход с вграден сигма-делта модулатор, който има 1-битов сериен изход. Подмоделите се отличават по гъстотата на отчитане, отразяваща се на точността с разделителна способност от 6 до 12 бита.

Производителят TT Electronics е реализирал модулен подход при компановката на токовите сензори за използване в електрически системи. Устройствата се състоят от датчик с ефект на Хол в отворен контур и допълнителен усилвател, който се поставя върху платката на датчика. Сензорите са с 5 V захранване и честота до 1 MHz, като има 2 модела – HEC005 с измерван ток 400 до 1200 A и HEC006 с буфериран датчик на Хол и измерван ток 30 до 1200 A. HEC001 е съвместим с двата датчика усилвател, захранван с 6 до 16 V, на чиито изход се получават ±2,0 V, съответстващи на ±600 A измерван ток. Номиналната му честотна лента е до 36 kHz.

С кратко време на реакция (до 3 ms) се отличават токовите сензори с ефект на Хол и отворен контур на производителя CUI Devices. Те имат възможност за едно- или двуполярно измерване и са подходящи за следене на променлив и постоянен ток. Реализирани са в корпуси за TH монтаж, имат ниска консумация (25 mA) и се захранват с единично или диференциално напрежение 5 или 12 V. Предлагат се 7 серии с по 5 модела, отличаващи се само по номиналния ток. Типичните им приложения са индустриална автоматизация и роботика, акумулаторни системи, контрол на енергопотреблението и др.

Токовите сензори в интегрално изпълнение, произвеждани от AKM (Asahi Kasei Microdevices), са с елемент на Хол и отворен контур, обаче без магнитопровод (фиг. 5). Това обуславя липсата на хистерезис и на загряване. Последното се дължи и на ниското съпротивление на токовата шина 0,27 mΩ. И петте серии интегрални схеми CZ37, CZ38, CZ3A, CQ3, AK31 са галванично развързани. Отличават се една от друга по възможността за едно- или двуполярно измерване, по максималния ток (20 – 60 A DC/AC при 500 до 800 V работно напрежение), по 3,3 или 5-волтовото захранване и съотносителен на него изход до 3,3 V или до 5 V. Поради наличието на изходен шум, ефективният брой битове е 7 до 10.

 

 

Максималната грешка е 1,6% до 3,1% в целия диапазон на измервания ток и Ta = -40 до 85/105°C. Тази грешка е осреднена по формулата ±1ϑ, което означава, че на всеки 10 измервания може да се случват и грешки няколко пъти по-големи от осреднената. При това се измерва само малка част от произведените чипове и тяхната грешка се декларира за цялата продукция. Това е причината те да не се използват за фискално отчитане на ток, а за приложения като:

  • откриване на фазов ток на променливотокови двигатели и на инвертори (за двуполярните сензори)
  • откриване на претоварване, откриване на ток откъм DC страната на фотоволтаични генератори (за еднополярните).

Интегралният токов сензор TLI4971 на Infineon също е с отворен контур, без магнитопровод и с ниско съпротивление на токовата шина (0,225 mΩ). Измерваният ток е до ±120 A AC/DC при напрежение до 690 V и честотна лента 240 kHz. Чувствителността при максимален ток ±120 A (FullScale) е 10 mV/A и дава ±1,2 V на изхода. Има и изходи с програмируеми прагове за претоварване по ток, за превишаване на напрежението и за отпадане на напрежението – OC, OV, UV. Корпусът е 8х8 mm SMD и осигурява добри топлинни характеристики при силни токове и изолация срещу високо напрежение. Максималната грешка е 3,45% в целия диапазон на измервания ток и Ta = -40 -  105°C. Използва се за приложения като електрозадвижвания, PV инвертори, инвертори с общо предназначение, зарядни устройства и захранвания.

Три са групите токови сензори с датчик на Хол в отворен контур, произвеждани от Melexis.

Конвенционалните ИС с токови сензори са програмируеми сензори с ефект на Хол, които могат да бъдат сглобявани заедно с феромагнитна сърцевина за отчитане до 2000 A постоянен или променлив ток. Тази група съдържа 4 модела MLX91207/09/11/17 в SMD и TH корпуси, достатъчно малки, за да се поместят в процеп на магнитопровод. Имат възможност за програмиране на отместването, чувствителността, праг на сработване, филтриране а някои модели са с вграден термометър. Магнитното поле [mT], наблюдавано от сензора за даден ток [A], зависи от конструкцията на ограждащата феромагнитна сърцевина (размер на въздушната междина, вид на материала и др.). Следователно текущият обхват не е ограничен от самия сензор, а по-скоро от магнитните свойства на ядрото (насищане, хистерезис и др.).

ИС с токови сензори и интегриран слой с магнитен концентратор – това са програмируеми сензори с ефект на Хол, позволяващи по-лесно сглобяване с по-лек и по-малък магнитопровод за отчитане на ток до 1000 ампера. Интегрираният слой с магнитен концентратор (Integrated Magnetic Concentrator IMC-Hall), осигурява по-голямо магнитно усилване, увеличаващо съотношението сигнал/шум на сензора. Тази група съдържа 3 модела в SMD и TH корпуси. MLX91206 има вариант с PWM изход от 12 битов АЦП и вграден термометър. Може да се помества в процеп на магнитопровод или върху писта на платката, през която тече измерваният ток.

ИС с токови сензори и интегриран проводник – тези сензори не се програмират. Освен елемент на Хол съдържат и вграден токов проводник със съпротивление 0,7/0,9 mΩ за токове 20 до 75 A и вградена защита от външно електромагнитно поле. Групата включва 3 модела в SMD корпус.

С приложение в акумулаторни пакети са трите модела токови датчици с ефект на Хол, произвеждани от TE Connectivity. Общите им данни са: 1% точност при 25°C и работна температура -40°C до +85°C. Работните напрежения са 5, ±12 V или 0 ~ 12 V, а обхватът на измервания ток достига 350 A. Има и вариант с вграден шунт 100 µΩ с толеранс ±5%.

 

Токови сензори на Хол със затворен контур

При този тип датчици е добавена вторична намотка, навита на магнитното ядро. В нея се подава вторичен ток пропорционален на първичния, който образува в сърцевината магнитно поле, противоположно на полето, създадено от тока в първичната верига. По този начин се постига нулев магнитен поток в сърцевината, практическо отсъствие на вихрови токове и по-широка честотна лента. Изходът е токов, повтарящ формата на входния ток. За получаване на напрежителен изход, вторичният ток се прекарва през шунт. Вторичният ток е пропорционален на първичния, разделен на броя навивки.

Предимствата на токовите сензори на Хол със затворен контур са същите като на тези от отворен тип, плюс:

  • устойчив на смущения токов изход;
  • кратко време на реакция и разширен честотен диапазон до 150 kHz;
  • точност около 0,5%, с добра линейност и нисък температурен дрейф.

 

Недостатъци:

  • консумира се мощност за компенсиране на тока;
  • за силни токове габаритите са по-големи отколкото при отворения тип.

Обхватът на номиналния измерван ток за отделните серии датчици на Хол със затворен контур, произвеждани от LEM, е от 0,25 до 10 000 А. Точността при околна температура 25°C варира между 0,2 и 0,7%. Изходът бива напрежителен с обхват в зависимост от захранващото и опорното напрежение или токов 0...20 mA, 4...20 mA, 12,5/24/25/32 mA, 0,4/0,6/0,8/1,0/1,6 A. Само 1/3 от размаха на изходното напрежение съответства на номиналния ток. Целият обхват на измервания ток е 2 до 3 пъти по-голям за моделите с номинал под 1500 A. Например моделът LTS 6-NP е с номинален ток Ipn = 6 A и максимален обхват на измервания ток Ip = 19,2 A. Датчиците до 40 A са само за TH или SMD монтаж на платка, тези от 50 до 150 A се монтират и на печатна платка и на панел, а над 150 A не се монтират на платка.

 

Токови сензори с наситен дросел (Fluxgate)

Сензорите с наситен дросел работят на същия принцип на измерване като сензорите на ток с ефект на Хол: магнитното поле, създадено от първичния ток, който трябва да бъде измерен, се открива от специален чувствителен елемент. Конструкцията на датчика на ток с наситен дросел е аналогична на конструкцията на токовия датчик на Хол с обратна връзка. Единствената разлика се състои в това, че при този метод се използва насищащ се дросел вместо датчик на Хол във въздушния процеп. Датчикът на ток с наситена индуктивност е основан на откриването на изменение в индуктивността.

 

 

Насищащият се дросел се състои от неголяма и тънка магнитна сърцевина с намотана на нея бобина (Фиг. 6). Постигането на високочестотни характеристики се осъществява чрез използване на две сърцевини без въздушни процепи. Едната сърцевина служи за създаване на бобина с наситена индуктивност, а другата – за създаване ефект на високочестотен трансформатор. В друг подход може да се използват три сърцевини без въздушни процепи. Две от трите сърцевини се използват за създаване на наситен дросел, а третата – за създаване ефект на високочестотен трансформатор.

Преимуществата на датчиците с наситен дросел включват висока разделителна способност, висока точност, малко отместване и дрейф на усилването, а така също широка честотна лента (до 500 kHz).

Типични недостатъци на технологията с наситен дросел са ограничената честотна лента (за по-простите конструкции), относително високо потребление на вторична мощност и риск от инжекция на токов или напрежителен шум в първичния проводник.

При токовите датчици по Fluxgate технология производителят LEM прилага компенсационен метод при отчитане на магнитно поле с наситен дросел. Сериите CAS/CASR/CKSR са за измерване на номинален ток от 1,5 до 50 A с грешка 0,8%, при напрежение под 600 VAC/DC, честотна лента до 300 kHz и галванично развързване. За покриване на обхват на номинален ток от 6 до 50 A се използва еднакъв компактен корпус за 4-те стандартни модела с 6/15/25/50 A за всяка от сериите. За сравнение, датчиците от сериите LTS и LTSR, основани върху ефекта на Хол със затворен контур, са ограничени до 25 A (модели LTS 25-NP и LTSR 25-NP съответно). При свързване по различни начини на CAS/CASR могат да се задават различни токови номинали – например номинал ±25 A или задаване на обхват ±12 или ±8 A, за постигане на по-висока точност. Посочените стойности на тока са номинални, докато целият обхват на измервания ток е ±150 A за моделите с номинал 50 A и съответства на размах на изхода 0,375 до 4,625 V. При Iвх = 0, изходът Vизх = 2,5 V, колкото е опорното напрежение.

Интересни са прецизните датчици от серията IT с технология Fluxgate и 3 тороида, имащи широк обхват на измервания ток от 12,5 A до 24 kA с обща точност при околна температура 25°C само няколко ppm. Дрейфът на температурата е изключително нисък и варира от 0,1 до 4 ppm/°C. Моделите с номинален измерван ток от 12,5 до 60 A може да се монтират на печатни платки, докато моделите за измерване на номинален ток от 60 A до 24 kA са предназначени за монтаж на панел и/или стойка, и имат вградена или в отделен корпус спомагателна електроника. Осигурена е галванична изолация за измервания на променлив, постоянен ток, както и токове със сложна форма. В допълнение към обичайните изходи, предвидени за изходен ток или напрежение, тези модели имат изход за състояние на сензора чрез НО или НЗ контакт и светодиод. Моделите от семейството на ITZ имат повече функции, тъй като са оборудвани с допълнителни изходи, показващи дали измереният ток е твърде нисък или твърде висок и дали датчикът не е в състояние на претоварване – всяко от тези условия се показва посредством специален светодиод.

Прецизните Fluxgate сензори намират приложение в лаборатории за проверка на потребителско оборудване, във високоточни промишлени приложения, в медицинското оборудване (скенери, магнитно-резонансна томография и др.), прецизни контролери на двигатели, измервателни средства и тестово оборудване.

 

Токови сензори с магнитосъпротивления (магниторезистивни)

Магниторезистивните (MR) датчици притежават магниторезистор като чувствителен елемент. Принципът им на действие е основан на ефекта на изменение на омичното съпротивление на материала в областта на магнитно поле.

Има три основни типа магниторезистивни датчици: анизотропни (AMR), гигантски (GMR) и тунелни (TMR).

Трите типа сензори се различават в многослойната си структура. Функционалната им структура обаче е еднаква. Четири тънкослойни резистора образуват мост. Ако се приложи външно магнитно поле, стойността на съпротивленията се променя и оттам се променя изходното напрежение на моста.

  • Магниторезистивните сензори са неподходящи за големи токове, поради:
  • Необратимо променящи се чувствителност и отместване вследствие на магнитното поле, генерирано при големи токове.
  • Влошаване на линейността при нулев ток (ефект на Баркхаузен)
  • Магнитен хистерезис
  • Смущения от външни магнитни полета

За сметка на това, магниторезистивните сензори са с най-малък размер.

Интересно е сравнението на магниторезистивните сензори с тези, базирани на ефекта на Хол: и двата метода позволяват реализация в интегрална схема (Фиг. 7). MR е 100 пъти по-чувствителен, но има лоша линейност. MR сензорите имат ефект на насищане, докато при сензорите на Хол такъв няма.

 

 

Типичен представител на интегралните схеми за измерване по магниторезистивен метод са приборите от фамилията MCx1101 на Aceinna. В тях са вградени AMR сензори, чието напрежение се усилва от операционен усилвател, осигуряващ аналогов изход на напрежение, линейно пропорционално на измервания ток (AC или DC) с чувствителност (mV/A), съвместимо с АЦП и аналоговите управляващи контури в енергийните системи. Схемите са фабрично калибрирани за постигане на ниско отместване. Произвеждат се в 2 серии: MCA1101 с усилване, фиксирано спрямо опорно Vref=2,175 V, и MCR1101 с усилване, съотносително спрямо захранващото напрежение (5/3,3 V). Измерваният ток In достига ±5 A, ±20 A или ±50 А, а честотната лента е 1,5 MHz. Осигурено е и галванично развързване.

Приложенията им обхващат сървърни ферми, телекомуникационни захранвания, IoT, зарядни станции за електромобили, инвертори, електрозадвижвания и др.

 



ЕКСКЛУЗИВНО

Top