Caracteristicile traductoarelor de curent în buclă închisă

1 SEPTEMBRIE 2014

Măsurarea curentului este parte integrantă din electronica de putere. Traductoarele de curent furnizează acestei măsurări diferite tehnologii posibile. Cea mai utilizată tehnologie utilizată este efectul Hall în buclă închisă sau poarta de flux în buclă închisă. Tehnologia în buclă închisă oferă numeroase avantaje necesare proiec­tanţilor din electronica de putere. Totuşi, există unele detalii, uneori necunoscute, care pot face o aplicaţie excepţională sau pot produce probleme. În cele ce urmează sunt prezentate unele caracteristici ce trebuie luate în considerare.
Traductoarele de curent sunt dispozitive pasive, în sensul că ele nu influenţează activ curentul ce se doreşte a fi măsurat. Ele necesită alimentare pentru a fi func­ţionale. Cerinţele tipice de alimentare sunt într-un domeniu de sub 30mA indiferent de tensiunea de alimentare. Majoritatea traductoarelor necesită o sursă de tensiune bipolară (tipic ±15V). Traductoarele cu surse de tensiune unipolare au devenit însă din ce în ce mai disponibile. Dispozitivele în buclă închisă au cerinţe suplimentare pentru circuitul curentului din secundar.

Autor: Erik Lange, Inginer Marketing & Aplicaţii, LEM USA, Inc.

Două caracteristici principale ale traductoarelor

Traductoarele de curent (a nu se confunda cu transformatoarele de curent) pot măsura curenţi de c.c. şi c.a. Măsurarea de curent continuu necesită traductoare de curent. Aceasta este una dintre cele două caracteristici care fac ca traductoarele să fie diferite de alte forme de măsurare a curentului. Un curent alternativ curat poate fi măsurat cu ajutorul unui transformator de curent uzual. Dar dacă curentul ce se doreşte a fi măsurat are perioade de timp fără di/dt, este necesar un traductor de curent.
Izolarea galvanică este a doua caracteristică ce conduce la selectarea unui traductor de curent ca soluţie pentru măsurarea curentului. Circuitele primar şi secundar ale traductoarelor de curent sunt izolate electric unul de celălalt. Acest lucru permite un potenţial ridicat în primar (480V) în vreme ce secundarul este o tensiune joasă de control (±15V sau +5V). Izolarea galvanică este obţinută cu ajutorul magne­tismului. Curentul din primar generează un câmp magnetic care este concentrat de un circuit magnetic. Un dispozitiv de măsurare magnetic măsoară câmpul B şi trimite la ieşire intensitatea sub o anumită formă (tensiune sau prag de curent). Informaţia legată de intensitate este convertită în ieşire de curent sau tensiune proporţionale cu curentul primar. Traductorul de curent original este cel cu efect Hall în buclă deschisă. Acest traductor constă din 3 părţi: un circuit magnetic, o celulă Hall şi un amplificator. Ieşirea este o tensiune proporţională cu curentul primar.

Efectul Hall în buclă închisă

Progresul în tehnologia traductoarelor îl constituie efectul Hall în buclă închisă. Buclă închisă preia conceptul de la bucla deschisă şi adaugă o înfăşurare secundară ieşirii. Această înfăşurare secundară este înfăşurată în jurul circuitului magnetic într-un mod în care curentul secundar creează un câmp magnetic în opoziţie cu cel creat de curentul primar. Acesta creează un miez relativ fără flux. Avantajul buclei închise este o lipsă virtuală a curenţilor turbionari şi o lăţime de bandă mai ridicată. Ieşirea poate fi modelată ca o sursă de curent cu un curent de valoare proporţională cu cea a curentului primar într-un raport determinat de numărul de spire din secundar. Faptul că amplificarea este determinată de înfăşurarea din secundar o face virtual imună la schimbări de amplificare cu temperatura.

Figura 1: Buclă închisă

Datele tehnice ale unui traductor în buclă închisă nu vor indica un efect al temperaturii asupra caracteristicii amplificării. Nu există niciun efect al temperaturii asupra amplificării într-un dispozitiv în buclă închisă. Ieşirea de curent este un avantaj fiind mai puţin sensibilă la sursele de zgomot ale aplicaţiei. Curentul de ieşire dintr-o buclă închisă este tipic preluat printr-o rezistenţă de sarcină. Curentul ce trece prin rezistenţă creează o cădere de tensiune ce poate fi măsurată de către un circuit integrat tip analog – digital sau comparator.

Poartă de flux în buclă închisă

Poarta de flux în buclă închisă înlocuieşte celula Hall cu un detector de poartă de flux. Poarta de flux este o bucată de material magnetic inserată într-o gaură din circuitul magnetic. Miezul porţii de flux dispune de o înfăşurare în jurul său ce este alimentată de o tensiune de tip semnal dreptunghiular. Curentul indus este măsurat, iar la atingerea unui anumit prag, forma de undă dreptunghiulară se schimbă. Factorul de umplere al semnalului dreptunghiular este proporţional cu curentul primar. Tehnologia cu poartă de flux este digitală prin natură şi dispune de un ceas intern ce poate apărea drept zgomot în frecvenţa de ceas. Totuşi zgomotul este peste lăţimea de bandă a traductorului. În acest fel sistemul complet constă din: circuit magnetic, poartă de flux şi înfăşurare, un ASIC şi o înfăşurare secundară. Rezistenţa de sarcină poate fi internă dispozitivului, ceea ce va conduce la o ieşire de tensiune. Altfel va fi generată o ieşire de curent. Există alte tehnologii de poartă de flux care utilizează diferite excitaţii şi scheme de detecţie, dar rezultatele generale sunt similare.
Traductoarele în buclă închisă sunt proiectate pentru a măsura un curent continuu egal sau mai mic decât curentul nominal stipulat în datele tehnice. Curentul ce trebuie măsurat este tipic numit curent primar. Curentul de ieşire din conexiunea secundară a traductorului este denumit curent secundar. Traductoarele în buclă închisă pot măsura curenţi peste cel nominal (domeniul de măsurare), dar aceşti curenţi ridicaţi pot fi măsuraţi numai pentru o scurtă perioadă de timp (secunde, ms sau μs).
Avantajele unui traductor de tensiune în buclă închisă sunt similare unei surse de curent ce include imunitate mare la zgomot şi precizie ridicată.

Figura 2: Poartă flux

Menirea unui traductor de curent este aceea de a măsura curentul. Dar la ce nivel de incertitudine? Acestea nu sunt dispozitive ideale şi au o valoare a preciziei asociată lor. Oricât de curios ar părea, amplificarea este definită de o caracteristică mecanică; precizia bobinei secundare depinde de dispozitivul de înfăşurare. Liniari­tatea este definită de caracteristicile materialului din circuitul magnetic. Offset-ul este o funcţie a magnetismului rezidual din circuitul magnetic. Amplificarea nu este afectată de temperatură. Offset-ul este totuşi afectat de temperatură. Deriva de offset cu temperatura va avea un impact asupra aplicaţiei. Acesta este avantajul porţii de flux. Traductoarele cu poartă de flux au un offset iniţial redus şi o derivă scăzută a offset-ului cu temperatura prin comparaţie cu dispozitivele bazate pe efect Hall.

Ordinul de mărime

Una dintre provocările semnificative în toate dispozitivele de măsurare este de câte ordine de mărime pot fi măsurate. Este o funcţie de precizie. Încrederea într-o măsurare necesită un nivel de precizie în punctul de măsurare pentru a avea încredere în număr. Un raport de 4:1 la un punct trebuie să fie un minim (10:1 este mai bine). Un dispozitiv de 100A cu o precizie de 1% poate măsura 1A precis, dar cum să se ştie? Acesta este momentul în care “citirea” şi “clasa de precizie” intră în joc. Amplificarea este întotdeauna un procent din citire, valoarea actuală a curenţilor primari. Liniaritatea este un procent din clasa de precizie, faţă de curentul nominal al traductorului. Offset-ul este de asemenea un procent din clasa de precizie. Aceste 3 erori nu sunt uzual adăugate. Ele pot produce o eroare potenţială ce poate fi nerealistă. Erorile sunt în general ridicate la pătrat individual, însumate şi se ia în considerare rădăcina pătrată. Un traductor cu o eroare de amplificare de 1%, cu o eroare de liniaritate de 0,5% şi o eroare de offset de 0,2% are o precizie de 1,14%. Incertitudinea actuală în Amperi variază cu mărimea curentului primar, în vreme ce amplificarea este interpretată în relaţie cu amperii citiţi. Un traductor de 100A cu precizia de mai sus, citind 10A, va avea o incertitudine de 0,55A, mai bună de 10:1. Un traductor de 100A citind 1A la preciziile de mai sus va avea o incertitudine de 0,54A. 0,54A este mai rău de 2:1 cu 1A măsurat şi nu va fi o măsurare sigură.
Aceasta este provocarea ordinului de mărime. Majoritatea traductoarelor vor gestiona măsurători mai jos de valoarea lor nominală cu un ordin de mărime. Două ordine de mărime este o provocare serioasă. Unele dintre cele mai bune traductoare în buclă închisă se apropie de 4:1 la două ordine de mărime. Se poate obţine mai mult, dacă offset-ul iniţial este făcut nul la pornire, iar deriva de offset cu temperatura este minimizată (poartă de flux). Vă rugăm să vă amintiţi că precizia de măsurare nu se termină cu traductorul. Precizia şi deriva rezistenţei de sarcină intră în joc (1% faţă de 0,1%), la fel şi convertorul analog/digital. Verificarea sistemului utilizând o sondă de osciloscop în buclă deschisă cu precizie de 2%, nu va furniza comparaţii valide cu un traductor de curent cu precizie de 0,5%.

Reducere

Traductoarele vor avea valori nominale pentru curent, temperatură şi lăţime de bandă trecute în datele tehnice. Toate trei nu pot fi utilizate simultan la limită. Amplificatoarele interne ale traductorului au limite. Căderea de tensiune şi puterea sunt partajate între amplificator, înfăşurarea secundară şi rezistenţa de sarcină. O rezistenţă de sarcină mai mică trimite mai multă pu­tere amplificatorului, conducând la o temperatură mai mare a acestuia. O rezistenţă de sarcină prea mare conduce la limitare. Temperaturi ambientale ridicate combinate cu curenţi de măsurare ridicaţi şi o rezistenţă de sarcină mică vor conduce la o putere ridicată disipată pe amplificatorul traductorului. De aceşti factori trebuie ţinut cont în timpul proiectării. Graficele de reducere sunt tipic disponibile pentru a cuantifica interacţiunea dintre aceste 3 variabile. Traductoarele în buclă închisă nu compensează perfect fluxul prin miez. După cum amplitudinea şi frecvenţa cresc, există în miez mai mult flux necompensat. Acest lucru va conduce la curenţi turbionari şi încălzirea miezului. De aici necesitatea pentru reducere.

Deschiderea şi conductorul primar

Plasarea conductorului primar în deschiderea traductorului va avea impact asupra preciziei. Centrarea conductorului şi dimensionarea traductorului sau conductorului pentru a umple cât mai mult din deschidere este posibil. Vă rog să reţineţi că plasarea conductorului primar în marginea deschiderii poate produce o saturaţie localizată la curenţi ridicaţi în funcţie de producătorul traductorului. Nu toate miezurile magnetice sunt create egal. Unii producători realizează miezurile foarte bune ce nu lasă loc pentru erori.

Date tehnice

Toţi producătorii de traductoare de curent furnizează date tehnice pentru produsele lor. Totuşi nu există un standard pentru datele tehnice. Sunt similarităţi şi multe diferenţe. Unele date tehnice au date domeniile de măsurare, dar nu şi valorile nominale. Funcţionarea continuă la limita maximă definită ca domeniu de măsurare poate avea consecinţe negative. Precizia poate fi o combinaţie de erori de amplificare, liniaritate şi offset pentru un producător şi numai eroare de amplificare pentru altul. Unii producători au precizii de înfăşurare mai strânse la fabricaţie; ±3 înfăşurări, faţă de alţii, ±10. Erorile de amplificare rezultate pot fi diferite. Lăţimea de bandă poate fi dată în puncte de ±1dB sau ±3dB.

Concluzie

Un traductor de curent corect selectat pentru o aplicaţie poate asigura cu uşurinţă mai mult de 25 de ani de funcţionare. Prin înţelegerea datelor tehnice din spatele datelor tehnice, sunt posibile proiecte de aplicaţii mai bune şi mai robuste. Asupra performanţelor au impact caracteristici precum: precizie, efectul temperaturii, selectarea rezistenţei de sarcină şi a reducerii. Acestea conduc la necesitatea unui partener de încredere ca furnizor de traductoare.

LEM
www.lem.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre