Precyzyjny pomiar płynącego prądu, jest kluczowym aspektem w zwiększaniu wydajności systemów sterowania z zamkniętą pętla sprzężenia zwrotnego, np. kontroli silników elektrycznych. W poniższym artykule opisano i porównano szereg metod pomiaru prądu w typowych dla nich aplikacjach.
Szeregowe oporniki są często używane w przemyśle, gdyż oferują dosyć wysoką dokładność i niski dryft termiczny. Jednakże ich stosowanie jest ograniczone z uwagi na konieczność rozpraszania wydzielanego na nich ciepła. W aplikacjach z dużym napięciem współbieżnym rezystory te wymagają stosowania izolowanych wzmacniaczy takich jak AMC1200 lub izolowanych modulatorów delta-sigma. Układy te pozwalają na pomiar niskiego spadku napięcia, rzędu 50 mV, co pozwala stosowanie niewielkich rezystancji do pomiaru, bez zmniejszania parametrów układu pomiarowego
Cewki Rogowskieg pozwalają tylko na pomiar prądu zmiennego (AC). Są one owinięte wokół przewodu przez który płynie mierzony prąd. Dostarczają one napięcie proporcjonalne do zmiany prądu AC, co oznacza że potrzebują oprócz przetwornika ADC także układu całkującego w torze analogowym.
Cewki tego rodzaju nadają się do unowocześniania istniejących urządzeń, ponieważ można zamontować je bez przecinania przewodów. Cewka nie wykorzystuje metalowego rdzenia, więc mechaniczna dokładność umieszczenia jej względem kabla wpływa na dokładność układu. Brak rdzenia powoduje też brak nasycenia cewki, co oznacza, że układy takie nadają się do pomiarów wysokiego prądu, a niska induktancja cewek oznacza, że mogą one pracować w systemie z szybkimi pomiarami.
Przekładniki prądowe, to transformatory w których pole magnetyczne generowane jest przez prąd zmienny w uzwojeniu pierwotnym. Pole to generuje proporcjonalny prąd w uzwojeniu wtórnym, obciążonym znanym opornikiem. Napięcie na oporniku pozwala na pomiar prądu np. poprzez ADC.
Precyzja pomiaru prądu przez przekładnik zależy od mechanicznej precyzji układu, tolerancji opornika w uzwojeniu wtórnym i dryftu termicznego magnetycznego rdzenia. Nasycenie rdzenia ogranicza zakres mierzonego prądu, ale dedykowany układ pozwala na dobranie ustroju pomiarowego dokładnie do konkretnej aplikacji. Przekładniki często wykorzystuje się do pomiaru prądu w sieci energetycznej.
Sensory magnetooporowe zmieniają swój opór pod wpływem pola magnetycznego DC i AC. Są one niewielkie i typowo używane do odczytywania pozycji i kąta. To tanie alternatywy innych metod pomiaru niewielkiego prądu w aplikacjach, które nie wymagają dużej dokładności.
Zależnie od materiału, z jakiego wykonano sensor, wyróżnia się dwa rodzaje sensorów magnetorezystancyjnych:
Anizotropowa magnetorezystancja (AMR) - sensory oparte o materiały ferromagnetyczne, w których pole magnetyczne zmienia opór. Zmiana rezystancji jest zazwyczaj niewielka i konieczny jest mostek pomiarowy.
Gigantyczny magnetoopór (GMR) - sensory oparte o warstwową konstrukcję ferromegnetyka i warstw niemagnetycznych. Sensory te są znacznie czulsze od sensorów AMR, jednakże z uwagi na wysoki poziom skomplikowania ich konstrukcji, ich cena jest znacznie większa.
Sensory oparte o efekt Halla dostarczają napięcie proporcjonalne do pola magentycznego (AC i DC). Są one dosyć szumne, a poziom napięcia zależny od temperatury. Dzięki sprytnym układom wzbudzającym te sensory można obejść oba ograniczenia, na przykład wykorzystując podejście takie jakie oferuje układ DRV411.
Sensory Halla mogą być wykorzystywane w aplikacjach z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, które nie wymagają znacznej dokładności. Jeśli chce się wykorzystać sensor w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego konieczne jest zwiększenie jego precyzji poprzez dodanie magnetycznego rdzenia z uzwojeniem kompensującym oraz moduł kondycjonowania sygnału. Jest szereg dostępnych scalonych modułów tego rodzaju o różnym koszcie i precyzji pomiaru.
Sensor typu Fluxgate dostarcza najlepszej czułości na rynku. Charakteryzuje się on także najszerszym zakresem dynamicznym, niskim szumem i niewielkim dryftem termicznym w porównaniu do innych metod. Zewnętrzne sensory typu Fluxgate są skomplikowane i wymagają wysokiej precyzji mechanicznej. Tylko kilka firm dostarcza moduły oparte o te sensory. Texas Instruments wprowadził niedawno do swojej oferty scalone moduły tego rodzaju, zawierające w sobie wszystkie potrzebne elementy - sensor, tor analogowy etc. Są one dedykowane do pomiarów w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego prądów DC i AC. Przy wykorzystaniu dodatkowych magnetycznych cewek z uzwojeniem kompensującym, pozwalają one na konstrukcję najprecyzyjniejszych na rynku ustrojów pomiarowych.
W poniższej tabeli zebrano podsumowanie i porównanie opisanych powyżej metod pomiaru prądu.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/07/10/six-ways-to-sense-current-and-how-to-decide-which-to-use
Szeregowe oporniki są często używane w przemyśle, gdyż oferują dosyć wysoką dokładność i niski dryft termiczny. Jednakże ich stosowanie jest ograniczone z uwagi na konieczność rozpraszania wydzielanego na nich ciepła. W aplikacjach z dużym napięciem współbieżnym rezystory te wymagają stosowania izolowanych wzmacniaczy takich jak AMC1200 lub izolowanych modulatorów delta-sigma. Układy te pozwalają na pomiar niskiego spadku napięcia, rzędu 50 mV, co pozwala stosowanie niewielkich rezystancji do pomiaru, bez zmniejszania parametrów układu pomiarowego
Cewki Rogowskieg pozwalają tylko na pomiar prądu zmiennego (AC). Są one owinięte wokół przewodu przez który płynie mierzony prąd. Dostarczają one napięcie proporcjonalne do zmiany prądu AC, co oznacza że potrzebują oprócz przetwornika ADC także układu całkującego w torze analogowym.
Cewki tego rodzaju nadają się do unowocześniania istniejących urządzeń, ponieważ można zamontować je bez przecinania przewodów. Cewka nie wykorzystuje metalowego rdzenia, więc mechaniczna dokładność umieszczenia jej względem kabla wpływa na dokładność układu. Brak rdzenia powoduje też brak nasycenia cewki, co oznacza, że układy takie nadają się do pomiarów wysokiego prądu, a niska induktancja cewek oznacza, że mogą one pracować w systemie z szybkimi pomiarami.
Przekładniki prądowe, to transformatory w których pole magnetyczne generowane jest przez prąd zmienny w uzwojeniu pierwotnym. Pole to generuje proporcjonalny prąd w uzwojeniu wtórnym, obciążonym znanym opornikiem. Napięcie na oporniku pozwala na pomiar prądu np. poprzez ADC.
Precyzja pomiaru prądu przez przekładnik zależy od mechanicznej precyzji układu, tolerancji opornika w uzwojeniu wtórnym i dryftu termicznego magnetycznego rdzenia. Nasycenie rdzenia ogranicza zakres mierzonego prądu, ale dedykowany układ pozwala na dobranie ustroju pomiarowego dokładnie do konkretnej aplikacji. Przekładniki często wykorzystuje się do pomiaru prądu w sieci energetycznej.
Sensory magnetooporowe zmieniają swój opór pod wpływem pola magnetycznego DC i AC. Są one niewielkie i typowo używane do odczytywania pozycji i kąta. To tanie alternatywy innych metod pomiaru niewielkiego prądu w aplikacjach, które nie wymagają dużej dokładności.
Zależnie od materiału, z jakiego wykonano sensor, wyróżnia się dwa rodzaje sensorów magnetorezystancyjnych:
Anizotropowa magnetorezystancja (AMR) - sensory oparte o materiały ferromagnetyczne, w których pole magnetyczne zmienia opór. Zmiana rezystancji jest zazwyczaj niewielka i konieczny jest mostek pomiarowy.
Gigantyczny magnetoopór (GMR) - sensory oparte o warstwową konstrukcję ferromegnetyka i warstw niemagnetycznych. Sensory te są znacznie czulsze od sensorów AMR, jednakże z uwagi na wysoki poziom skomplikowania ich konstrukcji, ich cena jest znacznie większa.
Sensory oparte o efekt Halla dostarczają napięcie proporcjonalne do pola magentycznego (AC i DC). Są one dosyć szumne, a poziom napięcia zależny od temperatury. Dzięki sprytnym układom wzbudzającym te sensory można obejść oba ograniczenia, na przykład wykorzystując podejście takie jakie oferuje układ DRV411.
Sensory Halla mogą być wykorzystywane w aplikacjach z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, które nie wymagają znacznej dokładności. Jeśli chce się wykorzystać sensor w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego konieczne jest zwiększenie jego precyzji poprzez dodanie magnetycznego rdzenia z uzwojeniem kompensującym oraz moduł kondycjonowania sygnału. Jest szereg dostępnych scalonych modułów tego rodzaju o różnym koszcie i precyzji pomiaru.
Sensor typu Fluxgate dostarcza najlepszej czułości na rynku. Charakteryzuje się on także najszerszym zakresem dynamicznym, niskim szumem i niewielkim dryftem termicznym w porównaniu do innych metod. Zewnętrzne sensory typu Fluxgate są skomplikowane i wymagają wysokiej precyzji mechanicznej. Tylko kilka firm dostarcza moduły oparte o te sensory. Texas Instruments wprowadził niedawno do swojej oferty scalone moduły tego rodzaju, zawierające w sobie wszystkie potrzebne elementy - sensor, tor analogowy etc. Są one dedykowane do pomiarów w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego prądów DC i AC. Przy wykorzystaniu dodatkowych magnetycznych cewek z uzwojeniem kompensującym, pozwalają one na konstrukcję najprecyzyjniejszych na rynku ustrojów pomiarowych.
W poniższej tabeli zebrano podsumowanie i porównanie opisanych powyżej metod pomiaru prądu.
| Cewka Rogowskiego | Przekładnik prądowy | AMR | GMR | Czujnik Halla | Fluxgate | Opornik | |
| Rodzaj prądu | AC | AC | AC i DC | AC i DC | AC i DC | AC i DC | AC i DC |
| Zakres prądów | Średni | Wysoki | Średni | Średni | Średni | Wysoki | Mały |
| Dokładność | Niska | Średnia | Średnia | Średnia | Średnia | Wysoka | Wysoka |
| Dryft termiczny | Wysoki | Średni | Średni | Średni | Średni | Niski | Niski |
| Izolacja galwaniczna | Tak | Tak | Tak | Tak | Tak | Tak | Nie |
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/07/10/six-ways-to-sense-current-and-how-to-decide-which-to-use
Cool? Ranking DIY
