O nouă familie de traductoare miniaturale, rapide și precise pentru măsurarea curentului izolat

3 APRILIE 2018

Proiectarea traductoarelor de curent izolat s-a aflat mereu sub imperiul reducerii costurilor și dimensiunii. Continuând această tendință, a fost lansată o nouă familie de traductoare, care nu necesită circuit magnetic, în capsule de circuit integrat de dimensiuni standard mici. Proiectarea cu atenție a condus la o precizie similară cu aceea a traductoarelor tradiționale, doar cu o reducere modestă a tensiunii de izolație. Au fost adăugate câteva caracteristici suplimentare.

Traductoarele de curent în care este necesară izolație, detectează în general câmpul magnetic al curentului măsurat; acest lucru este un avantaj suplimentar deoarece permite măsurarea curenților de curent continuu, dar și alternativ. Au existat două aspecte în dezvoltarea traductoarelor LEM de curent în buclă deschisă din ultimii ani: costul și dimensiunile au fost reduse în mod continuu, iar prin utilizarea ASIC-urilor CMOS patentate particularizate ca ele­ment de detecție, parametrii de performanță precum precizie și timp de răspuns s-au apropiat de aceia ai traductoarelor în buclă închisă mult mai complexe (Ref. 1). Uzual, ASIC este plasat în spațiul de aer al unui mic circuit magnetic, ceea ce oferă o amplificare fără zgomot a câmpului și ecranare față de interferențe externe. Majoritatea traductoarelor LEM convenționale în buclă deschisă măsoară curenți în plaja de la 3A la sute de A, cu nivele de izolație de până la 8kV și timp de răspuns de la 2µs.
Unele aplicații, în special pentru drivere de motoare, au aceeași necesitate pentru viteză, dar sunt mai puțin solicitante asupra domeniului de curent și a nivelelor de izolație, însă au o presiune puternică asupra prețului. În aplicații, precum de exemplu electrocasnice, închizătoare de ferestre și aparate de aer condiționat, prețul și dimensiunile mici sunt foarte importante. Pentru aceste cazuri, LEM a lansat acum o familie suplimentară de senzori, familia “GO”, a cărei dimensiune este redusă și mai mult prin eliminarea circuitului magnetic.

Figura 1: Seria de traductoare GO cu conexiunile lor în capsule SOIC-8 și SOIC-16.

În locul acestuia, curentul primar este trecut direct într-un circuit integrat standard unde câmpul său magnetic este măsurat cu un nou ASIC derivat din acela utilizat în traductoarele convenționale. Figura 1 prezintă două astfel de exemple. Unul este în capsulă SOIC-8, iar cei 4 pini din secundar sunt pentru surse de tensiune, tensiunea de ieșire Vout și o tensiune de referință Vref. Celălalt exemplu este într-o capsulă SOIC-16, unde cei 8 pini din secundar sunt disponibili astfel încât s-a profitat de ocazie pentru a furniza două nivele de avertizare diferite OCD (detecție de supracurent); unul foarte rapid și altul mai lent, dar mai precis. Viteza și precizia traductoarelor GO sunt similare cu acelea ale unui traductor cu circuit magnetic. Absența unui circuit mag­netic înseamnă desigur o abatere magnetică nulă.

Arhitectură și caracteristici
ASIC-ul traductorului GO este derivat din acela utilizat în traductoarele LEM în buclă deschisă care au un circuit magnetic. Există o experiență de producție considerabilă în acest ASIC, care a permis introduce­rea unor noi caracteristici în jurul bine-cunoscutelor blocuri de cale de semnal. În acest moment, se face o descriere a traductorului GO, însoțită de câteva comparații cu traductoarele cu circuit magnetic.

Figura 2: Diagrama bloc a traductorului GO în capsulă SOIC-16.

Figura 2 prezintă o diagramă bloc simplificată a traductorului GO în capsulă cu 16-pini. Mai multe celule Hall implantate în ASIC sunt plasate de ambele părți ale curentului primar pentru a detecta câmpul magnetic. Abaterea lor, împreună cu cea a amplificatoarelor de intrare, sunt eliminate cu tehnici de modulare, care modulează ieșirea celulei Hall într-un semnal AC.
După amplificare, semnalul Hall este demodulat înapoi la frecvența sa originală înainte de trimiterea și filtrarea către ieșire. Timpul de răspuns rapid este obținut prin utilizarea unei frecvențe de modulare ridicate și a unei filtrări interne care reduce lățimea de bandă a zgomotului din sistem.
Pe durata producției, fiecare traductor este calibrat individual. Testele sunt realizate la 3 temperaturi; deriva sensibilității și abaterea de ieșire sunt măsurate, iar corecțiile sunt stocate în memoria EEPROM de pe ASIC; aceasta asigură că precizia traductorului este menținută cu temperatura și trecerea timpului.
ASIC-ul este separat de conductorul primar printr-o serie de straturi izolatoare – o separare optimă a fost aleasă pentru cel mai bun compromis între cea mai mare izolare cu o separare largă și cel mai mare câmp magnetic la nivelul celulei Hall cu cea mai mică separare. Celulele Hall de pe părțile opuse ale primarului sunt sensibile la câmpuri în direcții opuse, astfel încât traductorul este imun la câmpuri magnetice uniforme de la alte surse decât curentul măsurat. Poziția laterală exactă a celulelor Hall față de primar nu este critică, deoarece este utilizată diferența dintre ieșirile celulelor din părțile opuse. Cu alte cuvinte, celulele Hall sunt configurate ca un senzor de gradient.

Figura 3: Diagrama bloc a sistemelor ODC (detecție supracurent).

Detaliile implementării OCD sunt prezentate în figura 3. Scopul este acela de a oferi două nivele de avertizare. Primul nivel este pentru curenți ușor mai mari decât se așteaptă, pentru a avertiza de exemplu asupra depășirii curentului așteptat. Acest OCD are nevoie de a fi rezonabil de precis, nu neapărat rapid și fiecare utilizator poate dori să stabilească un nivel diferit. Cerința relaxată de viteză permite ca intrarea în acest prim OCD să fie luată de pe ieșirea traductorului, iar nivelul este stabilit de către utilizator prin rezistențe externe, de unde și numele, OCD_EXT.
Al doilea nivel se intenționează să avertizeze asupra curenților care sunt periculos de ridicați, de exemplu datorită unui scurtcircuit. Timpul de răspuns trebuie să fie extrem de rapid, dar valoa­rea și precizia nivelului detectat nu este critică. Pentru a obține un timp rapid de răspuns și pentru a permite un nivel OCD în afara domeniului de operare normal liniar, intrarea în al doilea OCD este luată dinaintea blocului de demodulare. Acest nivel este stabilit intern prin stocarea unui parametru intern în EEPROM – astfel este cunoscut sub numele de OCD_INT. Nivelul este stabilit tipic la de trei ori curentul nominal din primar, IPN.
Figura 3 este ușor simplificată: ea omite detaliile care asigură că ambele OCD-uri răspund atât curenților pozitivi, cât și celor negativi.
Ambele OCD-uri verifică dacă este prezentă condiția de supracurent pentru cel puțin aproximativ 1µs, pentru a evita alarme false, iar ambele ieșiri, odată declanșate, sunt menținute pentru 10µs pentru a fi siguri de detectarea condiției. Ieșirile sunt de tip canal deschis, care permit în mod convenabil conectarea OCD-urilor de la câteva traductoare. OCD_INT se declanșează în mai puțin de 2.1µs; răspunsul tipic al OCD_EXT este de 10µs.

Amprenta seriei de traductoare GO în capsulă de 16-pini este de 100 mm2, iar în capsulă de 8-pini este jumătate din aceasta. Valoarea corespun­ză­toare pentru cel mai mic traductor cu montare pe PCB cu circuit magnetic este de 400 mm2. Înălțimile sunt de 2.5mm și 12mm. Totuși, pentru ambele tipuri, în domeniile de curent mai ridicate trebuie permisă disiparea căldurii generate în primarul traductorului, care este mai mare în seria GO, deoarece rezistența primară este mai mare.

Tabel 1: Comparație a parametrilor cheie ai seriei GO cu cei ai traductoarelor bazate pe circuite magnetice.

Parametrii cheie și performanța măsurată a traductorului
În Tabelul 1 sunt prezentați unii dintre parametrii cheie ai traductoarelor din seria GO. Pentru comparație, sunt oferite valorile acelorași parametrii pentru un mic traductor în buclă deschisă cu circuit magnetic – a fost ales un traductor mic pentru a permite o comparație semnificativă, un traductor mai mare ar avea valori diferite ale parametrilor.
Tabelul 1 arată că parametri electrici cheie au rămas neschimbați sau au fost ușor îmbunătățiți față de senzorii cunoscuți cu un circuit magnetic, iar alți parametri precum dimensiune și izolație, sunt diferiți, permițând celor două familii de traductoare să se adreseze unor piețe diferite.
Figura 4 prezintă timpul de răspuns măsurat după o schimbare a curentului primar în 0.3µs.
Dimensiunea compactă și absența componentelor magnetice din traductor oferă un răspuns cu foarte mică depășire și zgomot.
Afirmația făcută anterior cum că traductoarele GO nu sunt afectate de câmpuri magnetice externe va fi adevărată dacă ieșirea electrică amplificată a celulelor Hall de pe ambele părți este aceeași, deoarece este utilizată diferența dintre cele două ieșiri. Pentru a satisface această condiție:
(i) Sensibilitatea celulelor Hall de pe ambele părți ale primarului (și amplificatoarele la care ele sunt conectate) trebuie să fie identice; este clar, ele trebuie să fie bine potrivite;
(ii) câmpul magnetic trebuie să fie același pe ambele părți ale primarului; el trebuie să fie uniform.

Figura 4: Măsurarea timpului de răspuns al traductorului GO.

Luând în considerare punctul (i), deoarece celulele Hall și amplificatoarele sunt realizate cu dispozitive mari, potrivirea lor este excelentă. Atunci când un câmp magnetic extern uniform este aplicat unui traductor GO, el este rejectat aproape perfect.
Cu toate acestea, pentru punctul (ii) câmpurile magnetice generate de conductoare, plasate în apropierea traductorului, nu sunt uniforme, iar ieșirile de pe cele două părți ale primarului nu vor fi perfect rejectate. Acest lucru a fost investigat pentru conductoare plasate în 4 poziții diferite lângă un traductor GO; vedeți figura 5. Cel mai rău caz este poziția a treia, în care conductorul extern este aliniat cu primarul GO. Dacă conductorul extern transportă 10A și curentul măsurat este de asemenea 10A, eroarea de ieșire a traductorului datorită curentului extern va fi de aproximativ 1% din curentul măsurat, chiar și cu distanță 0 între conductorul extern și GO.
Această investigație arată că pentru un minimum de grijă în proiectarea layout-ului PCB, conductorii externi vor avea influență neglijabilă asupra preciziei seriei GO de traductoare.
O altă considerație importantă în traductoarele miniaturale este efectul unei schimbări bruște a tensiunii din primar asupra ieșirii traductorului. Acest lucru este cel mai bine gestionat la nivelul ASIC. Acolo unde nivelele de semnal intern sunt mici, ele sunt privite întotdeauna diferențial, iar schimbările în nivelul lor de mod comun datorită unei tranziții externe, au un efect redus. Nodurile sensibile pot fi protejate prin mici ecranări legate la masă pe stratul metalic superior. Ecranarea este utilizată numai pe suprafețele mici, unde sunt necesare.

Figura 5: Efectul conductorilor externi asupra preciziei unui traductor GO. Eroarea este prezentată pentru cazul în care curenții din primarul GO și conductorul extern sunt aceeași.

Acest lucru are numeroase avantaje față de ecranările mari: stratul me­talic superior rămâne disponibil pentru interconectare acolo unde ecranarea nu este necesară; pastila ASIC nu este ascunsă, iar părțile afectate pot fi analizate; nu există curenți Eddy care să mărească timpul de răspuns.
Figura 6 prezintă efectul unui dv/dt de 5kV/µs asupra ieșirii de 25A GO (GO 25-SMS). Perturbația de vârf asupra ieșirii este de 4% din IPN, iar timpul de revenire este de aproximativ 3.6µs.

Figura 6: Răspunsul traductorului GO (GO 25-SMS) după o perturbație dv/dt.

Concluzie
Acest articol a prezentat o nouă serie de traductoare miniaturale, rapide și precise, pentru măsurarea izolată a curenților AC și DC. Unii dintre parametrii lor electrici sunt similari cu cei ai traductoarelor cu circuite magnetice, iar alții sunt diferiți. Pentru aplicații diferite, vor fi potrivite traductoare diferite, iar adăugarea acestei serii în oferta de catalog a LEM va extinde posibili­tă­țile de alegere ale inginerilor proiec­tanți în vederea optimizării sis­­te­melor lor, cu ajutorul celor mai eficiente și economice mijloace de măsurare a curentului izolat.

Referința 1: David Jobling: New open-loop current transducers with near closed-loop performance. Proceedings of the PCIM Conference, May 2014, page 222-6.

Autori: David Jobling; David Barbagallo; Julien Feignon, LEM International SA, Plan-les-Ouates, Geneva, Elveția

LEM | www.lem.com

Lasă un răspuns

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