Текущи сензорни техники, използващи различни токови сензори

Токът е много критичен фактор в електрониката или електротехниката. В електрониката токът може да има честотна лента от няколко наноампера до стотици ампери. Този обхват може да бъде много по-широк в електрическата област, обикновено до няколко хиляди ампера, особено в електрическите мрежи. Съществуват различни методи за усещане и измерване на ток във верига или проводник. В тази статия ще обсъдим как да измерваме тока, като използваме различни техники за чувствителност на тока с техните предимства, недостатъци и приложения.

Метод за определяне на тока на сензора за ефект на Хол

Ефектът на Хол е открит от американския физик Едуин Хърбърт Хол и може да се използва за усещане на тока. Обикновено се използва за откриване на магнитно поле и може да бъде полезен в много приложения като скоростомер, аларма на вратата, DIY BLDC.

Сензорът на Hall Effect произвежда изходно напрежение в зависимост от магнитното поле. Съотношението на изходното напрежение е пропорционално на магнитното поле. По време на процеса на чувствителност на тока токът се измерва чрез измерване на магнитното поле. Изходното напрежение е много ниско и трябва да бъде усилено до полезна стойност, като се използва усилвател с високо усилване с много нисък шум. Освен усилвателната схема, сензорът Hall Effect изисква допълнителни схеми, тъй като е линеен преобразувател.

Професионалисти:

1. Може да се използва с по-висока честота.
2. Може да се използва точно както в AC, така и в DC.
3. Безконтактен метод.
4. Може да се използва в сурова среда.
5. Надеждна е.

Минуси:

1. Сензорът се отклонява и изисква компенсация.
2. Допълнителна схема изисква полезен изход.
3. Скъпо от техника, базирана на шунт.

Датчиците на Hall Effect се използват в измервателни уреди, както и в много индустриални и автомобилни сензорни приложения. Много видове линейни сензори за ефект на Хол могат да усещат ток от няколко милиа ампера до хиляди ампери. Поради това приложението Smart Grid Monitoring също използва различен тип сензор за ефект на Хол за наблюдение на тока на проводника.

Метод за определяне на тока на сензора за поток

Насищаем индуктор е основният компонент за сензорната техника на Fluxgate. Поради това сензорът на Fluxgate се нарича сензор за ток на наситен индуктор. Ядрото на индуктора, което се използва за сензора на потока, работи в областта на насищане. Нивото на насищане на този индуктор е силно чувствително и всяка вътрешна или външна плътност на потока променя нивото на насищане на индуктора. Пропускливостта на сърцевината е право пропорционална на нивото на насищане, поради което индуктивността също се променя. Тази промяна в стойността на индуктора се анализира от сензора на потока за засичане на тока. Ако токът е висок, индуктивността става по-ниска, ако токът е нисък, индуктивността става висока.

Сензорът на ефекта на Хол работи подобно на сензора за поток, но има една разлика между тях. Разликата е в основния материал. Сензорът Flux Gate използва наситен индуктор, но сензорът Hall Effect използва въздушна сърцевина.

На горното изображение е показана основната конструкция на сензор за поток. Има две намотки първична и вторична, увити около наситена сърцевина на индуктора. Промените в текущия поток могат да променят пропускливостта на сърцевината, което води до промяната на индуктивността в другата намотка.

Професионалисти:

1. Може да измерва в широк диапазон от честоти.
2. Има голяма точност.
3. Ниско отместване и отклонения.

Минуси:

1. Висока вторична консумация на енергия
2. Повишава се рисков фактор за напрежение или токов шум в първичния проводник.
3. Подходящ само за постоянен ток или нискочестотен променлив ток.

Fluxgate сензорите се използват в слънчевите инвертори за отчитане на тока. Освен това измерването на променлив и постоянен ток със затворен цикъл може лесно да се направи с помощта на сензори Flux Gate. Методът за определяне на тока на потока на поток може също да се използва при измерване на ток на утечка, откриване на свръхток и др.

Метод за определяне на тока на бобината на Роговски

Намотката на Роговски е кръстена на немския физик Валтер Роговски. Намотката на Роговски е направена с помощта на спирала с въздушна сърцевина с винтова форма и е увита около целевия проводник за измерване на тока.

На горното изображение бобината на Роговски е показана с допълнителни схеми. Допълнителната схема е интеграторна схема. Бобината на Роговски осигурява изходно напрежение в зависимост от скоростта на промяна на тока в проводника. За направата на изходно напрежение, пропорционално на тока, е необходима допълнителна интеграторна схема.

Професионалисти:

1. Това е добър метод за откриване на бърза промяна на високочестотния ток.
2. Безопасна работа по отношение на боравенето с вторичната намотка.
3. Евтино решение.
4. Гъвкавост при боравене поради конструкция с отворен контур.
5. Температурната компенсация не е сложна.

Минуси:

1. Подходящ само за променлив ток
2. Има ниска чувствителност от токовия трансформатор.

Намотката Rogowski има широк спектър на приложение. Например измерване на ток в големи силови модули, особено през MOSFET или транзистори с висока мощност или през IGBT. Намотката Rogowski осигурява гъвкава опция за измерване. Тъй като реакцията на бобината на Роговски е много бърза при преходни процеси или високочестотни синусоидални вълни, е добър избор за измерване на високочестотни преходни токове в електропроводите. При разпределение на мощността или в интелигентна мрежа, бобината Rogowski осигурява отлична гъвкавост за текущи измервания.

Метод за определяне на тока на токов трансформатор

Токов трансформатор или CT се използва за усещане на тока от вторично напрежение, което е пропорционално на тока във вторичната намотка. Индустриалният трансформатор преобразува голямата стойност на напрежението или тока в много по-малка стойност във вторичната си намотка. Измерването се извършва през вторичния изход.

На горното изображение е показана конструкцията. Това е идеален CT трансформатор с първично и вторично съотношение 1: N. N зависи от спецификациите на трансформатора. Научете повече за трансформаторите тук.

Професионалисти:

1. Голям капацитет за обработка на ток, повече от другите методи, показани в тази статия.
2. Не изискват допълнителни схеми.

Минуси:

1. Изисква поддръжка.
2. Хистерезисът възниква поради намагнитването.
3. Силният първичен ток насища материалите от феритна сърцевина.

Основната употреба на техниката на сензор за ток, базирана на CT трансформатор, е в електрическата мрежа поради много високия капацитет за измерване на тока. Малко измервателни уреди също използват токов трансформатор за измерване на променлив ток.

Метод за определяне на тока на шунтовия резистор

Това е най-използваният метод в настоящите техники на засичане. Тази техника се основава на закона на Омс.

Резистор с ниска стойност в последователност се използва за усещане на тока. Когато токът протича през резистор с ниска стойност, той създава разлика в напрежението в резистора.

Да вземем пример.

Да предположим, че 1A ток протича през 1-омов резистор. Според закона на ома Напрежението е еквивалентно на ток x съпротивление. Следователно, когато 1A ток протича през 1-омов резистор, той ще генерира 1V през резистора. Мощността на резистора е критичен фактор, който трябва да се има предвид. На пазара обаче се предлагат и резистори с много малка стойност, където съпротивлението е в мили-ома. В такъв случай разликата в напрежението на резистора също е много малка. За увеличаване на амплитудата на напрежението е необходим усилвател с голямо усилване и накрая токът се измерва, като се използва обратната база за изчисление.

Алтернативен подход за този тип текуща сензорна техника е използването на следа от печатни платки като шунтиращ резистор. Тъй като медната следа от печатни платки предлага много малко съпротивление, човек може да използва следата за измерване на тока. Въпреки това, при такъв алтернативен подход няколко зависимости също са огромна грижа за получаване на точен резултат. Основният фактор, променящ играта, е отклонението на температурата. В зависимост от температурата, устойчивостта на проследяване се променя, което води до грешка. Трябва да се компенсира тази грешка в приложението.

Професионалисти:

1. Много рентабилно решение
2. Може да работи в AC и DC.
3. Не се изисква допълнително оборудване.

Минуси:

1. Не е подходящ за работа с по-висок ток поради разсейване на топлината.
2. Измерването на шунта осигурява ненужно намаляване на ефективността на системата поради загуба на енергия през резистора.
3. Термичният дрейф осигурява резултат от грешки при високотемпературно приложение.

Приложението на шунтов резистор включва цифров усилвател. Това е точен и по-евтин метод, различен от сензора на Hall Effect. Шунтиращият резистор може също да осигури път с ниско съпротивление и позволява електрическият ток да премине едната точка до другата точка във веригата.

Как да изберем правилния метод на текущо измерване?

Изборът на правилния метод за текущо засичане не е трудно нещо. Има няколко фактора, които трябва да се имат предвид при избора на правилния метод, като:

1. Колко точност е необходима?
2. DC или AC измерване или и двете?
3. Колко консумация на енергия е необходима?
4. Какъв е текущият обхват и честотна лента, които трябва да бъдат измерени?
5. Разходи.

Освен тези, трябва да се имат предвид и приемлива чувствителност и отхвърляне на смущения. Тъй като всеки фактор не може да бъде удовлетворен, някои компромиси се правят, за да компрометират едната функция с другата в зависимост от приоритета на изискването за приложение.