Поточні методи зондування з використанням різних датчиків струму

Струм є дуже важливим фактором в електроніці та електротехніці. В електроніці струм може мати пропускну здатність від декількох наноампер до сотень ампер. Цей діапазон може бути набагато ширшим в електричній області, як правило, до декількох тисяч ампер, особливо в електромережах. Існують різні методи відчуття та вимірювання струму всередині ланцюга або провідника. У цій статті ми обговоримо, як виміряти струм за допомогою різних методів зондування струму з їх перевагами, недоліками та застосуваннями.

Метод зондування струму датчика ефекту Холла

Ефект Холла відкритий американським фізиком Едвіном Гербертом Холом і може використовуватися для відчуття струму. Зазвичай він використовується для виявлення магнітного поля і може бути корисним у багатьох додатках, таких як спідометр, дверна сигналізація, DIY BLDC.

Датчик ефекту Холла виробляє вихідну напругу в залежності від магнітного поля. Співвідношення вихідної напруги пропорційне магнітному полю. Під час процесу визначення струму струм вимірюється вимірюванням магнітного поля. Вихідна напруга дуже низька і її потрібно посилити до корисного значення за допомогою підсилювача з високим коефіцієнтом посилення з дуже низьким рівнем шуму. Окрім схеми підсилювача, датчик ефекту Холла вимагає додаткової схеми, оскільки це лінійний перетворювач.

Плюси:

1. Може використовуватися на більш високих частотах.
2. Може використовуватися як в змінному, так і в постійному струмі.
3. Безконтактний метод.
4. Може використовуватися у важких умовах.
5. Це надійно.

Мінуси:

1. Датчик дрейфує і вимагає компенсації.
2. Для корисного виводу потрібна додаткова схема.
3. Дорожче, ніж техніка на основі шунта.

Датчики ефекту Холла використовуються в затискних вимірювачах, а також у багатьох промислових та автомобільних сенсорних системах. Багато типів лінійних датчиків ефекту Холла можуть відчувати струм від декількох міліампер до тисяч ампер. Завдяки цьому, додаток Smart Grid Monitoring також використовує інший тип датчика ефекту Холла для контролю струму провідника.

Метод датчика струму датчика запливу

Насичений індуктор є головним компонентом техніки зондування Fluxgate. Завдяки цьому датчик Fluxgate називається датчиком струму насиченого індуктора. Сердечник індуктивності, який використовується для датчика потоку, працює в області насичення. Рівень насичення цього індуктора є дуже чутливим, і будь-яка внутрішня або зовнішня щільність потоку змінює рівень насичення індуктора. Проникність осердя прямо пропорційна рівню насичення, отже, індуктивність також змінюється. Ця зміна значення індуктивності аналізується датчиком потоку затвора для визначення струму. Якщо струм високий, індуктивність стає нижчою, якщо струм низьким, індуктивність стає високою.

Датчик ефекту Холла працює подібно до датчика потоку, але між ними є одна різниця. Різниця полягає в матеріалі серцевини. Датчик Flux Gate використовує насичуваний індуктор, але датчик ефекту Холла використовує повітряний сердечник.

На зображенні вище показано основну конструкцію датчика потоку затвора. Є дві котушки, первинна та вторинна, обмотані навколо насиченого сердечника індуктивності. Зміни поточного потоку можуть змінити проникність сердечника, що призведе до зміни індуктивності на іншій котушці.

Плюси:

1. Може вимірювати в широкому діапазоні частот.
2. Має велику точність.
3. Невеликий зсув і дрейфи.

Мінуси:

1. Високе вторинне споживання енергії
2. Збільшується фактор ризику для шуму напруги або струму в первинному провіднику.
3. Підходить лише для постійного або низькочастотного змінного струму.

Датчики Fluxgate використовуються в сонячних інверторах для відчуття струму. Крім цього, вимірювання змінного та постійного струму із замкнутим контуром можна легко зробити за допомогою датчиків Flux Gate. Метод зондування струму потоку затвора також може бути використаний для вимірювання струму витоку, виявлення перевантаження по струму тощо.

Метод зондування струму котушки Роговського

Котушка Роговського названа на честь німецького фізика Вальтера Роговського. Котушка Роговського виконана з використанням котушки повітряного сердечника спіральної форми і обмотана навколо цільового провідника для вимірювання струму.

На зображенні вище котушка Роговського показана з додатковою схемою. Додаткова схема - це схема інтегратора. Котушка Роговського забезпечує вихідну напругу в залежності від швидкості зміни струму в провіднику. Для створення вихідної напруги, пропорційної струму, потрібна додаткова схема інтегратора.

Плюси:

1. Це хороший метод виявлення швидкої зміни частоти високої частоти.
2. Безпечна робота з точки зору обробки вторинної обмотки.
3. Недороге рішення.
4. Гнучкість в управлінні завдяки конструкції з відкритим циклом.
5. Температурна компенсація не є складною.

Мінуси:

1. Підходить лише для змінного струму
2. Має низьку чутливість, ніж трансформатор струму.

Котушка Роговського має широкий спектр застосування. Наприклад, вимірювання струму у великих силових модулях, особливо на MOSFET-транзисторах або транзисторах великої потужності або на IGBT. Котушка Роговського забезпечує гнучку можливість вимірювання. Оскільки реакція котушки Роговського дуже швидка на перехідні процеси або високочастотні синусоїдальні хвилі, це хороший вибір для вимірювання високочастотних перехідних процесів струму в лініях електропередач. У розподілі потужності або в розумній мережі котушка Роговського забезпечує чудову гнучкість для поточних вимірювань.

Метод визначення струму трансформатора струму

Трансформатор струму або КТ використовується для визначення струму за допомогою вторинної напруги, яка пропорційна струму у вторинній котушці. Це промисловий трансформатор, який перетворює велике значення напруги або струму в набагато менше значення у своїй вторинній котушці. Вимірювання проводиться на вторинному виході.

На зображенні вище показано конструкцію. Це ідеальний трансформатор КТ з первинним і вторинним співвідношенням 1: Н. N залежить від технічних характеристик трансформатора. Дізнайтеся більше про трансформатори тут.

Плюси:

1. Велика пропускна здатність струму більше, ніж інші методи, показані в цій статті.
2. Не вимагають додаткових схем.

Мінуси:

1. Потребує технічного обслуговування.
2. Гістерезис відбувається внаслідок намагнічування.
3. Сильний струм первинного струму насичує матеріали феритового сердечника.

Основне використання методу зондування струму, заснованого на трансформаторі КТ, використовується в електромережі через дуже високу потужність вимірювання струму. Нечисленні лічильники струму також використовують трансформатор струму для вимірювання змінного струму.

Метод зондування струму шунтового резистора

Це найбільш використовуваний метод у сучасних техніках зондування. Ця методика заснована на законі Ома.

Малоцінний резистор послідовно використовується для визначення струму. Коли струм протікає через малоцінний резистор, він створює різницю напруг на резисторі.

Візьмемо приклад.

Припустимо, 1А струму протікає через 1-омний резистор. Відповідно до закону Ома Напруга еквівалентна струму x опору. Тому, коли 1А струму протікає через 1-омний резистор, він виробляє 1В через резистор. Потужність резистора є критичним фактором, який слід враховувати. Однак на ринку також є резистори дуже малого значення, де опір знаходиться в діапазоні міліом. У такому випадку різниця напруг на резисторі також дуже мала. Для збільшення амплітуди напруги потрібен підсилювач з високим коефіцієнтом посилення, і нарешті, струм вимірюється за допомогою зворотної основи розрахунку.

Альтернативним підходом для цього типу струмових методів зондування є використання траси друкованої плати як шунтуючого резистора. Оскільки мідний слід друкованої плати має дуже малий опір, його можна використовувати для вимірювання струму. Однак при такому альтернативному підході декілька залежностей також є великою проблемою для отримання точного результату. Основним фактором, що змінює гру, є дрейф температури. Залежно від температури, стійкість до слідів змінюється, що призводить до помилки. Потрібно компенсувати цю помилку в додатку.

Плюси:

1. Дуже економічно вигідне рішення
2. Може працювати в змінному та постійному струмі.
3. Додаткове обладнання не потрібно.

Мінуси:

1. Не підходить для роботи з більшим струмом через тепловіддачу.
2. Вимірювання шунту забезпечує непотрібне зниження ефективності системи через втрату енергії на резисторі.
3. Тепловий дрейф забезпечує результат помилок у високотемпературному застосуванні.

Застосування шунтового резистора включає цифровий вимірювач підсилювача. Це точний і дешевий метод, відмінний від датчика ефекту Холла. Шунтуючий резистор може також забезпечити шлях з низьким опором і дозволяє електричному струму переходити з однієї точки в іншу точку в ланцюзі.

Як вибрати правильний метод визначення струму?

Вибір належного методу для вимірювання струму не є складною справою. Для вибору правильного методу потрібно враховувати кілька факторів, таких як:

1. Наскільки потрібна точність?
2. Вимірювання постійного або змінного струму або і те, і інше?
3. Скільки потрібно споживання енергії?
4. Який поточний діапазон та пропускна здатність вимірюються?
5. Калькуляція.

Окрім тих, також слід враховувати прийнятну чутливість та пригнічення перешкод. Оскільки кожен фактор не може бути задоволений, деякі компроміси зроблені для компрометації однієї функції з іншою залежно від пріоритету вимоги до програми.