Nowe, cyfrowe układy do pomiaru prądu dla trudnych środowisk pracy

Sensory prądu odgrywają kluczową rolę w wielu urządzeniach, pozwalając poprawić ich sprawność i monitorować przepływ energii elektrycznej, aby uniknąć możliwych usterek lub awarii. Ewolucja technologiczna, jaka dokonała się w tym zakresie na przestrzeni lat, doprowadziła do stworzenia zintegrowanych czujników, które są dostępne w standardowych kompaktowych obudowach, oferując wysoki poziom dokładności i niezawodności przy zajmowaniu małej powierzchni na PCB.

Sensory najnowszej generacji charakteryzują się wysokim napięciem izolacji i stopniem odporności na zewnętrzne pola elektromagnetyczne oraz doskonałą precyzją, co czyni je idealnym rozwiązaniem do pomiaru prądów AC i DC w licznikach przemysłowych, samochodowych, inteligentnych, fotowoltaice, przetwornikach DC-DC i falownikach.

Nowe cyfrowe czujniki prądu LEM

Z okazji targów PCIM Europe 2022, które odbyły się w Norymberdze w Niemczech w dniach 10-12 maja 2022 roku, firma LEM zaprezentowała HMSR DA — pierwszy na świecie zintegrowany czujnik prądu z cyfrowym wyjściem z ADC sigma-delta. LEM zamierza wzmocnić tym produktem swoją ofertę sensorów cyfrowych, a konkretnie układów zawierających czujnik prądu. Stosowany głównie po stronie DC falownika, HMSR SMS mierzy prądy AC i DC z dużą dokładnością i wysoką odpornością na zakłócenia. W obrębie AC nowo wprowadzony układ LWSR pozwala na redukcję kosztów systemu. „Wielką zaletą podążania w tym kierunku jest to, że oferujemy nowe, samoizolujące się rozwiązania, a także drastycznie zwiększamy efektywną rozdzielczość dostarczanego przez nas czujnika” — powiedział Clement Amilien, globalny kierownik ds. zintegrowanego sensora prądu w LEM.

Jako najnowszy model rodziny HMSR, układ HMSR DA (patrz rysunek 1) oferuje wysoką rozdzielczość na efektywnej liczbie bitów (ENOB) równej od 11 do 13, posiada wejście lub wyjście zegara 10 MHz i zapewnia znaczne korzyści w przypadku sprzętów, które pracują w trudnych warunkach, gdzie szum, zniekształcenia i zakłócenia mogą wpływać na wiarygodność pomiaru. Nowy czujnik został zaprojektowany, aby dostarczyć kompletne rozwiązanie dla aplikacji wymagających sygnałów pozbawionych zaburzeń w środowiskach narażonych na wibracje, szum elektryczny i elektromagnetyczny. Przetwornik ADC jest już zintegrowany z urządzeniem i posiada różne tryby wyjściowe, w tym single-ended CMOS, różnicowy RS422 i LVDS. „W przeciwieństwie do tradycyjnych sensorów opartych na technologii CMOS, aby poprawić czułość, używamy bardziej egzotycznych pierwiastków z grup III-V. Oznacza to, że mamy wyższe koszty, ale możemy drastycznie zwiększyć wyjściową rozdzielczość efektywną czujnika” — podsumowuje Amilien.

Wyjście cyfrowe upraszcza projektowanie i jest bardzo elastyczne, umożliwiając stosowanie filtrów w celu dostosowania sensora do konkretnych potrzeb. Uwzględnienie modulatora sigma-delta, z jednobitowym wyjściem cyfrowym, zapewnia dodatkowe zmniejszenie liczby wymaganych połączeń i zwiększenie elastyczności przy wyborze filtra wyjściowego. Ten filtr zazwyczaj odzwierciedla najlepszy kompromis, dla konkretnej aplikacji, między rozdzielczością a czasem odpowiedzi. Inną istotną cechą nowego sensora jest zastosowanie techniki pomiaru w otwartej pętli. Czujnik zawiera przetwornik analogowy z otwartą pętlą działający w oparciu o efekt Halla i jest w stanie wykonać przetwarzanie sygnału niezbędne do dostarczenia wymaganej niezawodności i dokładności.

Zasadę działania sensora z otwartą pętlą pokazano na rysunku 2. Pierwotny prąd IP płynący przez przewodnik wytwarza pole magnetyczne skoncentrowane w szczelinie obwodu magnetycznego. Napięcie wyjściowe ogniwa Halla (Vh) jest proporcjonalne do mierzonego prądu. Po odpowiednim przetworzeniu sygnału, buforowane napięcie wyjściowe Vout będzie dokładną analogową reprezentacją prądu pierwotnego. Moduł Halla i obwód przetwarzania sygnału są zintegrowane ze scalonym układem, który pozwala poprawić działanie czujnika. Główną cechą nowego sensora jest dodanie modulatora sigma-delta drugiego rzędu do układu, co pozwala uzyskać strumień bitów, w którym gęstość jedynek zależy od mierzonego prądu.

Za cyfrowym sensorem wyjściowym LEM znajduje się filtr, zwykle realizowany przez użytkownika. Zaletą tego podejścia jest zminimalizowanie liczby połączeń z przetwornikiem, a osoba zainteresowana może zdecydować, który filtr najlepiej odpowiada wymaganiom konkretnej aplikacji.



„Wiele aplikacji, które wcześniej pracowały w zamkniętej pętli teraz przechodzi do otwartej. Powodem tego jest to, że ta druga może drastycznie poprawić parametry pracy. W naszym portfolio produktowym mamy teraz czujniki o dokładności poniżej 2%, a niektóre z nich są wystarczająco dobre, aby zastąpić jednostki pracujące w pętli zamkniętej”.

Nowy sensor jest przeznaczony do zastosowań, które obejmują samodzielne serwonapędy, robotykę, maszyny do szycia, zautomatyzowane pojazdy kierowane (AGV), obrabiarki CNC i szereg innych rozwiązań wymagających wysokiej rozdzielczości wyjścia.

Nowy HMSR DA może mierzyć prąd od 10 do 36 A RMS i oferuje wytrzymałość dielektryczną do 4,0 kV. Jest pierwszym krokiem firmy LEM w kierunku stworzenia szerokiej rodziny zintegrowanych, cyfrowych czujników prądu. Przyszłościowo marka już pracuje nad kolejną generacją cyfrowych sensorów układów scalonych, które będą oferować rozdzielczość od 14 do 16 bitów i zegar pracujący powyżej 20 MHz. Wersje analogowe czujników z rodziny HMSR o wysokiej izolacji są już używane od kilku lat, oferując projektantom i technikom energoelektroniki szereg korzyści zahaczających również o nowy model cyfrowy.

Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/new-digital-current-sensors-improve-reliability-in-harsh-environments/