česky english Vítejte, dnes je úterý 27. říjen 2020

Vyšší proudy a přece stále stejné rozměry? Nová čidla to dokážou

DPS 5/2019 | Měření - články
Autor: David Barbagallo, Pierre Turpin, Thomas Hargé, LEM
01.jpg

Návrhy v oblasti výkonové elektroniky se zmenšují a stranou proto nezůstává ani společnost LEM. Představila totiž tři nové rodiny kompaktních proudových snímačů pracujících v otevřené smyčce, které v porovnání s dřívějšími prvky o stejných rozměrech dokážou změřit ještě vyšší proudy. Případně také srovnatelné proudy, ovšem s menšími rozměry. Skvělých výsledků je dosaženo díky jedinému ASIC přímo na zakázku, který zajistí veškeré zpracování signálu, stejně jako opravné analogové funkce. Článek se zaměřuje na snímače a jejich klíčové elektrické parametry. A v závěru vše také ilustruje na několika příkladech.

Pár slov úvodem

Současné trendy při měření proudu, např. v systémech UPS nebo ve spojitosti s výrobou elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, odrážejí potřebu menších fyzických rozměrů, vyšších proudových rozsahů, svižnější odezvy, která se pojí s rostoucími spínacími kmitočty, a samozřejmě též i nižší ceny. Jednoduchost snímačů pracujících v otevřené smyčce pak při dosahování takových cílů vhodně napomáhá.

V dalším textu si nyní představíme tři nové rodiny senzorů podporujících jmenovité proudy až do 800 A (RMS), zatímco nadproudy lze při detekci uvažovat vyšší až sedminásobně. Miniaturní snímače HLSR xx/SP10 budou znamenat rozšíření stávající rodiny HLSR s integrovaným primárním vodičem. Jejich místo se nachází za desce plošného spoje, kde jsou také nejlepší volbou při stěžejním požadavku na malé fyzické provedení. Další dvě série prvků HOYS a HOYL s novými magnetickými obvody optimalizovanými s ohledem na hmotnost a také rozměry již při osazování využijí vnějšího vedení. Snímače s otevřenou smyčkou skupiny HLSR a HO, představené společností LEM již před pěti lety, určitě splňují požadavky kladené na jejich velikost, přesnost, rychlost a třeba i cenu, nicméně jmenovitý proud tekoucí primárem bude u menších součástek HLSR z titulu saturace feritového magnetického obvodu omezen zhruba na 50 A.

Aby bylo možné u snímačů podporujících vysoké průtoky vyhovět požadavkům na dosahovanou přesnost a také rychlost, využívaly se často senzory pracující v uzavřené smyčce. Sekundární vinutí potlačující magnetické pole spojené s měřeným proudem však přidává na rozměrech součástky, proudové spotřebě, složitosti, ale i ceně. V případě prvků zpracovávajících vysoké proudy musí být sekundární část řízena s využitím vyššího napájecího napětí, resp. složité elektroniky. Upřednostňovaný přístup tedy spočívá v architektuře s otevřenou smyčkou, kdy nedostatky spojené s vlastním návrhem budou na pozici magneticky citlivého prvku ošetřeny složitou strukturou ASIC. Zmíněné postupy byly u snímačů pracujících s menšími proudy využity již v minulosti. Jakékoli chyby spojené s citlivostí nebo offsetem, včetně jejich ujíždění spolu s teplotou, jsou ve výrobě změřeny během testu ASIC a také zde i uloženy. Potřebné korekce jsou tak nepřetržitě aplikovány, a většina elektrických parametrů se proto může přiblížit k úrovním předcházející generace čidel s uzavřenou smyčkou.

Jeden z vysokoproudých snímačů HLSR xx/SP10 vidíme na obr. 1. Bude mít stejně malé fyzické proporce a zastavěnou plochu jako stávající prvky této rodiny, ale maximální jmenovitý proud již bude díky přepracovanému magnetickému obvodu (FeSi) navýšen z 50 A až na 120 A. Nejvyšší možný proud, který lze změřit, pak pokaždé dosahuje 2,5násobku jmenovité úrovně. Prvky HLSR mají vestavěný primární vodič a jejich místo je na desce plošného spoje. Jejich další čtyři vývody pak slouží k napájení sekundární strany a zajišťují též výstupní napětí VOUT nebo referenci VREF. Rozdíl VOUT – VREF je přitom úměrný měřenému proudu.

mereni-1
Obr. 1 Snímače HLSR xx/SP10

Obrázek 2 již zachycuje nové senzory HOYS a HOYL, tedy „malé“ a „větší“ součástky určené pro vnější vedení s přípustnými rozměry až do 21 × 12 mm, resp. 39 × 12 mm. Společně pak pokrývají proudový rozsah od 100 až do 800 A, spolu s maximálním měřitelným proudem 2000 A. Snímače navíc dostaly pátý vývod, výstup OCD signalizující detekci podmínky pro vznik nadproudu v primární části. Kompaktního provedení bylo dosaženo na základě optimalizace magnetického obvodu, včetně pouzdra okolo primárního vodiče, a také proto, že uvnitř senzorů nenajdeme žádné elektronické součástky kromě ASIC stavějícího na Hallově jevu a dvou blokovacích kondenzátorů.

mereni-2
Obr. 2 Senzory HOYL (vlevo) a také HOYS (vpravo)

Čidla a jejich vlastnosti

Napájení pro měřicí (sekundární) část snímačů činí 3,3 V nebo 5 V a výstup je pak vztažen k polovině této hodnoty generované samotným senzorem (z vnějšího zdroje však mohou být přivedeny i jiné úrovně referenčního napětí). Kromě odlišných velikostí a možností při osazování budou rozdíly mezi rodinami obvodů HLSR a HOY, pokud jde o chování, spočívat zejména v jejich magnetických obvodech.

Spínací rychlosti v zapojeních s čidly rostou a svižnější proto musí být i odezva. Překvapivě vysoké proudy nebo zkraty tak mohou být rychle i detekovány. CMOS ASIC u nových snímačů obsahuje Hallovy články coby magneticky citlivý prvek a také veškeré obvody pro zpracování signálu. Abychom dosáhli odpovídající odezvy do 3,5 µs, pomůže nám vysoká rychlost hodinového signálu, přičemž rušení na výstupu čidla zase minimalizují filtry. Omezí totiž šířku pásma signálové trasy ASIC, ale jen tak, aby průběh proudu zůstal zachován.

Mezi dvě nejdůležitější charakteristiky vysokoproudových senzorů řadíme linearitu a otázku tepelných ztrát, pokud je tedy primární vedení přímo součástí čidla. Aby mohl výrobce něco takového u nových snímačů potvrdit, musel je nejprve podrobit komplexním simulacím a také testům. Schopnosti magnetického obvodu HLSR xx/SP10 byly na testovaném senzoru ověřeny při IPN = 180 A, což představuje nárůst o 50 % nad nejvyšší výrobní hodnotu, a také změřením jeho linearity. Výsledky pro průtoky IPM (±450 A) zachycuje obr. 3a). Křivka ukazuje rozdíl mezi měřeným a ideálním, naprosto lineárním výstupem. Maximum v podobě 0,5 % IPN pak dokládá, že definice linearity bylo pro tuto řadu snímačů dosaženo s dostatečnou rezervou (během testu se pracovalo s krátkými pulzními proudy, protože 450 A je pro trvalé zatížení primáru příliš mnoho).

Možnosti senzorů HOYS a HOYL v otázce linearity zachycují obr. 3b) a obr. 3c). Proud tekoucí primární částí se při těchto testech pohyboval v rozmezí ±IPM, nicméně chyba linearity je vyjádřena ve vztahu k IPN, což je také mnohem náročnější požadavek.

mereni-3
Obr. 3 a) ukázka linearity a vlastního offsetu snímače HLSR xx/SP10;
b) příklad linearity a vlastního offsetu snímače HOYS; c) ukázka linearity a vlastního offsetu snímače HOYL

V případě čidla HLSR xx/SP10, jehož primární vedení je přímo součástí struktury, bude důležité znát i teplotní charakteristiky spojované s průchodem velkých proudů. Ohřev senzoru zcela zřejmě závisí na desce plošného spoje, ke které je připájen, stejně jako na snímači samotném. Současné technologie desek podporují nejvyšší proudy okolo 100 A. V nasimulovaném příkladu pak byly použity všechny čtyři vrstvy DPS, přičemž způsob návrhu a chlazení na základě přirozeného proudění v prostředí s teplotou +85 °C udržely pájené spoje na teplotě +100 °C. Výsledky sledujeme na obr. 4, který ale zachycuje pouze primární stranu senzoru. Pro účely simulace je však situována tak, jak ji v pouzdru obvykle i nacházíme. Při uvážení stejnosměrného proudu o velikosti 120 A se nejteplejší část primáru ustálila na +113 °C a nepřekračuje tak maximálně přípustných +120 °C.

mereni-4
Obr. 4 Teplotní simulace u primárního vedení snímače HLSR xx/SP10

Obzvláště užitečnou vlastností snímačů rodiny HOYx se stává sledování nadproudů OCD (Overcurrent Detection). Jak vyplývá ze zjednodušeného blokového diagramu na obr. 5, vstup využívaný při detekci OCD bude vyveden ještě před výstupním zesilovačem senzoru a jeho filtry. To pak přináší dvě výhody. Zdejší signál má nižší amplitudu, takže umíme sledovat proudové úrovně, které mohou být vyšší než ty, které již na výstupu čidla způsobují saturaci. Odezva systému OCD je navíc rychlejší než v případě výstupu. Prahová úroveň je pro OCD standardně nastavena jako 2,93násobek proudu IPN, nicméně při objednávání senzoru lze volit ještě mezi patnácti dalšími násobky, od 0,68xIPN až po 7,06xIPN. Přesné dostupné hodnoty již zjistíte z dokumentace HOYL, HOYS. V nejzazším případě lze vybrat úroveň OCD 5648 A pro 800A provedení snímače HOYL. Dlužno však dodat, že úrovně OCD budou v závislosti na zvolené hladině vykazovat přesnost pouze 10 nebo 20 %. Pro funkci rychlé výstrahy, která se zde očekává, to však postačuje.

mereni-5
Obr. 5 K principu činnosti výstupu OCD

Ukázku výstupu funkce OCD vidíme na obr. 6. Primární proud (znázorněno žlutě) roste až nad úroveň, při které již dochází k saturaci výstupu snímače (červeně). S odstupem 2,3 µs pak po překročení prahové úrovně OCD bude výstup (modře) klesat k nule. Výstup OCD je řešen s otevřeným kolektorem. Lze je tak spojovat dohromady a mít přitom k dispozici jednu společnou výstrahu. Rozptyl v dobách odezvy OCD je způsoben primárním proudem, který není synchronizován s hodinovým signálem snímače.

mereni-6
Obr. 6 Proudové a signálové průběhy při aktivaci funkce OCD

Nová čidla vynikají rovněž v otázce izolace. U všech senzorů HLSR a HOY zde máme plné galvanické oddělení mezi primární a sekundární stranou. V případě izolačních testů (1,2/50 µs) pak u snímačů HLSR kupříkladu hovoříme o 8 kV, zatímco u větší rodiny HOYL již dostáváme 9,6 kV.

Další důležitou stránku ještě tvoří spolehlivost senzoru. Konstrukce proudových snímačů pracujících v otevřené smyčce je neskutečně jednoduchá a vyžaduje pouze jeden aktivní prvek, strukturu ASIC vystavěnou na Hallově jevu, a k tomu velmi málo pájených spojů (v případě rodiny HLSR dokonce ani jeden). Spolehlivost takového typu senzoru je proto vynikající. FIT dosahuje 3,4, což odpovídá MTTF 294170980 hodin.

V tabulce 1 najdete přehled nejdůležitějších elektrických charakteristik snímačů HLSR xx/SP10 a HOY. Podrobnější informace jsou již k dispozici v příslušné dokumentaci.

mereni-t

Příklad č. 1: ještě menší UPS

Záložní zdroje napájení, známé též jako UPS, jsou hnány kupředu dvěma trendy. Rychlejší spínací součástky umožňují nasazení reaktivních prvků o menší velikosti, jsou tedy menší i fyzicky a veškerá elektronika se tak vejde přímo na desku plošného spoje. Stejný trend musí pochopitelně následovat i snímače proudu a desce proto nemohou dominovat. Současně lze pracovat i s vyššími proudy, protože u vícevrstvé desky využijeme mnohé, nebo dokonce všechny její vrstvy. Některé z nich mohou být silné a vyhrazené právě větším průtokům. Snímače HLSR xx/SP10 doporučíme tam, kde se potkávají požadavky na malé rozměry, vysoká proudová zatížení a výsledek řešený na desce plošného spoje. Zjednodušené schéma, ve kterém lze prvky HLSR xx/SP10 použít v řídicí smyčce spínačů navržených jak pro AC/DC, tak i DC/AC převod, sledujeme na obr. 7.

mereni-7
Obr. 7 Snímače HLSR xx/SP10 „zdobí“ systém UPS

Příklad č. 2: velký rozsah a OCD pro turbíny

V tomto případě se budou hodit velké měřicí rozsahy proudu u senzorů HOYx spolu s funkcí OCD. Generátor poháněný větrnou turbínou může pro svá statorová vinutí využívat energii ze sítě, kterou sám napájí. Bude-li výstup AC/AC měniče z obr. 8 spojen se střídavým proudem z generátoru, vytváří pro napájenou síť správné průběhy o kmitočtu 50 Hz. Pokud ale zátěž v síti odebírá příliš mnoho proudu, nemusí již dostupný výkon pro generátor postačovat. Vliv nadměrné zátěže se tak ještě více prohlubuje, a pokud zde neuvažujeme žádné LVRT (Low Voltage Ride Through), může se selhání jednoho generátoru dále šířit sítí a způsobit ještě i jiné potíže. Součástí řešení LVRT je také detekce nadproudů ze strany sítě a právě zde budou k užitku obrovské měřicí rozsahy prvků HOYx. Funkce OCD poslouží při rozhodování o různých nápravných mechanismech a také k potvrzení toho, že se již proudové špičky přestaly vyskytovat. Snadnému zapracování v takových aplikacích rovněž nahrávají malé fyzické rozměry snímačů HOYx.

mereni-8
Obr. 8 Senzory HOYx v systému větrné elektrárny s LVRT

Závěr

Článek představuje nové snímače umožňující měření proudů až do 2000 A na základě jednoduché a také levné architektury s otevřenou smyčkou. V řadě případů se jejich vlastnosti dokonce podepíší pod náhradou mnohem složitějších senzorů.

Kompaktní provedení, malé napájecí napětí nebo funkce OCD (HOYx), to vše vývojářům nabídne nové možnosti, jak realizovat nejen účinné, ale také ziskové systémy.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik