Măsurarea curentului electric în aplicaţiile de electronică de putere implică mai mult decât doar selectarea traductorului. Calea de la traductor la microcontroler poate să implice câteva etape. Fiecare dintre acestea are un impact asupra preciziei măsurării.
Autor: Erik Lange, Marketing & Applications Engineer, LEM USA, Inc.
• Utilizarea unei scale intermediare şi o etapă de schimbare de nivel pot adăuga incertitudini de amplificare şi offset
• Utilizarea unei rezistenţe de sarcină în aplicaţii în buclă închisă poate introduce modificări ale preciziei
• Etapa finală de conversie a informaţiei analogice de curent în format digital implică numărul efectiv de biţi şi o rezoluţie finală a curentului măsurat
Numeroase aplicaţii de electronică de putere necesită un domeniu extins pentru dispozitivul de măsurare a curentului. Acest domeniu extins acoperă domeniul normal de operare (80%-125% din curentul nominal) şi o acoperire de protecţie (300%). Acest lucru poate avea un efect de limitare asupra gamei dinamice disponibile pentru operaţia de control.
Detecţie de supracurent
Datorită avantajelor detecţiei de curent bazate pe ASIC, devin disponibile opţiuni de includere a altor caracteristici. ASIC este plasat în deschiderea miezului (vedeţi figura 1). Pe lângă tehnologiile de scădere a offset-ului, precum rotirea unei celule Hall (vedeţi figura 2) sau sensibilitate programabilă, devine posibilă opţiunea de integrare a detecţiei de supracurent (OCD) ca o ieşire separată, programabilă. OCD îşi schimbă starea în stil colector deschis atunci când se depăşeşte un anumit prag. Cu ajutorul unui pin extern OCD, domeniul de măsurare al traductorului nu mai trebuie să includă vârfurile de protecţie. Întreaga gamă de măsurare poate fi concentrată pe domeniul de operare dinamic al aplicaţiei.
OCD poate fi programat pentru diferite praguri. Acest lucru permite stabilirea pragurilor la 250% sau 300%. În cazul seriei HO de la LEM, programabilitatea se extinde la 570% din valoarea nominală a traductorului. Supracurentul detectat este dincolo de domeniul de măsurare nominal al traductorului.
Un traductor cu valoare nominală de 8A poate fi programat pentru un prag OCD de 45,6A.
Integrarea detecţiei de supracurent permite eliminarea circuitelor uzuale dedicate de tip “crowbar” sau similare. Acest lucru eliberează spaţiu pe placă şi reduce numărul de componente.
Un circuit de tip “crowbar” poate consta dintr-un comparator şi câteva rezistenţe: pot fi eliminate până la 5 componente discrete.
Domeniu dinamic concentrat
Cu funcţia de protecţie asigurată de ieşirea OCD, domeniul de măsurare rămâne concentrat pe domeniul dinamic de control. Traductorul interacţionează în mod fundamental cu un dispozitiv de 5V sau 3,3V pentru conversia analog – digitală.
Dacă informaţia cu privire la amplitudinea curentului poate fi dată în domeniul de 5V sau 3,3V, vor fi necesare mai puţine circuite intermediare precum schimbătoare de nivel şi de scală. Majoritatea traductoarelor bazate pe ASIC sunt de 5V, dar şi cele de 3,3V devin din ce în ce mai disponibile. De-a lungul timpului, gama dinamică pentru dispozitivele de 5V a fost definită ca 0,625V/curentul nominal. Acest lucru permite pentru un dispozitiv bidirecţional (măsurare AC) să dispună de un punct de curent zero definit ca ieşire de 2,5V.
Curentul în orice direcţie, creşte sau descreşte tensiunea de ieşire a traductorului pornind de la punctul de zero de 2,5V. De exemplu, în cazul unei aplicaţii de 10A (10A înseamnă 100% sarcină), traductorul ar trebui să aibă o gamă nominală de 10A cu un vârf de 30A necesar pentru protecţie. Sensibilitatea de 0,625V/10A (de exemplu pentru LEM tip HXS 10-NP/SP4) permite o citire de 300% pentru protecţie (30A sau o ieşire de 4,375V). Raportul tensiune/curent este de 0,625V/10A sau 62,5mV/A.
Multiplicare magnetică
Metoda unor multiple înfăşurări de conductor înseriate printr-un traductor este o tehnică cunoscută, la care adesea se face referire sub numele de ‘Multiplicare Magnetică’. Aceasta este utilă atunci când domeniul unui traductor de curent este peste acela al curentului aplicaţiei. Este important să fie utilizat cât mai mult din domeniul dinamic al traductorului pentru a minimiza erorile de liniaritate şi offset-ul. Câmpurile magnetice din conductoare se adună cu un multiplu dat de numărul de înfăşurări înseriate. Acest lucru va fi prezentat în următoarele exemple de aplicaţii AC & DC.
Aplicaţie AC
Datorită monitorizării OCD pentru protecţie, întreg domeniul dinamic poate fi utilizat pentru control.
Exemplul de aplicaţie de 10A de mai sus poate fi aplicat unui traductor de 15A (LEM tip HO 15-NP). Curentul este înfăşurat de 3 ori în serie pe 3 magistrale separate. Având o limită superioară a domeniului aplicaţiei de 125% din valoarea nominală, curentul va apărea de 37,5A pentru un maxim.
La o sarcină de 100% (10A), traductorul vede 30A. Sensibilitatea originală de 53,33 mV/A (HO 15-NP) va corespunde unei sensibilităţi rezultate de 160mV/A. Prin comparaţie cu un traductor standard de 10A cu sensibilitatea de 62,5mV/A, se observă o multiplicare cu un factor de 2,56. Curenţii mai mici sunt scoşi din zona zgomotului şi domeniul dinamic disponibil este mai bine utilizat. Acesta este un exemplu de aplicaţie AC unde ambele părţi ale punctului de zero 2,5V trebuie să fie utilizate de aplicaţie.
Aplicaţie DC unidirecţională
Într-un exemplu de DC, care prin natura sa este unidirecţional, Vref poate fi utilizată pentru extinderea puternică a domeniului de măsurare. Începând cu un LEM tip HO 8-NP şi înfăşurând curentul primar de 3 ori în serie, este atins un curent maxim al aplicaţiei (125%) de la 37,5A. Cu Vref tras sau programat la 0,5V reprezentând 0A, poate fi realizată o sensibilitate a traductorului de 100mV/A. Vârful tensiunii de ieşire la 37,5A este de 4,250V, o lărgime de 3,75V pentru o schimbare de 12,5A sau 300mV/A. O aplicaţie DC care în trecut ar fi operat la 62,5mV/A poate acum opera la 300mV/A. Într-o aplicaţie de 5V/12biţi, un bit reprezintă 1,22mV. Tensiunea de ieşire va fluctua în domeniul de la 0,50V la 4,250V, reprezentând un curent de la 0A la 12,5A cu o plajă de 3072 biţi. Într-o aplicaţie tradiţională de 10A fără modificarea Vref şi fără OCD, domeniul de operare de la 0 la 12,5A ar fi reprezentat de o tensiune de la 2,5V la 3,28V. Acest domeniu de numai 0,781V reprezintă 640 biţi. Rezoluţia în biţi este de 4,1mA pentru varianta cu modificare Vref/OCD sau de 19,5mA fără caracteristicile ASIC. Combinaţia dintre modificarea Vref şi OCD oferă un control mult mai fin al curentului.
Nu toate traductoarele bazate pe ASIC permit domenii maxime de curent. Traductorul HO 8-NP permite un domeniu dinamic crescut. Totuşi, HO 25-NP nu permite o asemenea multiplicare a domeniului de măsurare atunci când Vref este tras în 0,50V. Tipic, traductoarele cu domeniul de curent mai mic dintr-o serie oferă un domeniu extins disponibil mai mare decât membrii de curent mai mare ai aceleiaşi familii.
Disiparea căldurii
În traductoarele mai mici, atunci când domeniul dinamic este complet exploatat, conductoarele vor genera căldură în domeniul puterii cu o singură cifră. Sistemele de magistrale au rezistenţe sub 1 mΩ. Dar în cazul domeniilor de curent de 150A, chiar şi cei 200μΩ ai traductorului HLSR 50-P vor începe să genereze 4,5W. Traductoarele moderne bazate pe ASIC permit tipic operare în domeniul 105°C – 125°C. În cazul traductoarelor bazate pe ASIC cu bare de magistrală trebuie să existe limitări de temperatură a magistralei (valoare tipică 120°C). Cu toate acestea, o generare de căldură mai mare nu este o problemă dacă se ia în considerare o modalitate de disipare a căldurii. Trasee de PCB şi cupru împrejurul pinilor traductorului PCB trebuie maximizate, nu minimizate, pentru a ajuta la disiparea căldurii. Mişcarea aerului va juca un rol important. O provocare importantă este de a dimensiona traseele către traductor la un minim dictat de curentul proiectat. Traseele subdimensionate nu vor fi suficient de rezistente, astfel încât chiar şi o temperatură ambientală ridicată (85°C) poate conduce la dezlipiri ale traductorului. O verificare amănunţită a proiectului, ţinând cont de temperaturile de operare trebuie să includă temperatura miezului, a punctului de lipire şi a barei de magistrală.
Concluzii
Implementarea domeniului extins prin utilizarea traductoarelor bazate pe ASIC cu capabilitate OCD are câteva avantaje importante:
• Reducerea numărului de componente şi siguranţă crescută în funcţionare datorate scăderii numărului de componente discrete necesare;
• Rezoluţie mai bună de la convertorul analog – digital;
• Sensibilitate crescută cu amplificarea cea mai bună cu creşterea raportului volţi/amperi;
• Îmbunătăţirea raportului semnal – zgomot.
O soluţie de traductor de curent bazat pe ASIC cu capabilitate OCD reprezintă un salt important în măsurarea curentului din punct de vedere al rezoluţiei, sensibilităţii, siguranţei în funcţionare şi a imunităţii la zgomot.
www.lem.com