Jste zde

Integrované senzory proudu a problematika použití – 1.část

Antonín Vojáček, 2. Únor 2009 - 22:00

Také vás ve škole trápili s různými metodami měření elektrického proudu? A že opravdu přesné měření i velkých proudů není jednoduché? Dnes už tomu tak není, protože si lze koupit plně integrované proudové senzory s rozsahem i pod 1 A a i nad 100 A , které poskytují 100% galvanické oddělené měření s chybou i pod 1%. Více o jejich funkci, provedení a použití se dočtete v tomto seriálu článků.

Mezi základní měření elektrických veličin patří měření el. proudu. Po měření el. napětí je to asi nejdůležitější věc, která se učí již ve fyzice na základních školách. Zatímco ještě v nedávné době bylo bezpečné a přesné měření i velkých hodnot proudů spojeno se složitými úvahami, kterou metodu použít a s tím spojená různá kompromisní řešení a někdy i náročná realizace, dnes v době plně integrovaných obvodů a senzorů to lze provést velmi snadno s použitím speciálních součástek, tzv. senzorů proudu. Ty stačí jen zapojit do cesty proudu, odebírat proudu úměrné napětí a již se o nic nestarat. Navíc takto lze bezpečně měřit proudy až do stovek A (např. až 200 A).

Použitelné metody měření proudu

Prakticky se dá říct, že v tomto směru se v současné moderní elektronické době proud vždy měří převodem na elektrické napětí, které pak lze následně snadno elektronicky zpracovávat.

Prakticky existují tři základní možnosti převodu proudu na napětí:

Bočníky = přímé měření úbytku napětí na snímacím rezistoru
Proudové transformátory = nepřímé měření na snímacím rezistoru na sekundáru proudového transformátoru
Senzory s Hallovou sondou = měření proudem generovaného magnetické pole Hallovým senzorem

V prvním případě se musí do cesty el. proudu vložit tzv. snímací rezistor, na kterém proud svým průchodem vytvoří dle Ohmova zákona úbytek napětí. Ten se dnes ve většině případů přivádí na vstupu A/D převodníku a převádí na digitální signál / číslo. Hodnota proudu se pak softwarově spočítá zpět dle Ohmova zákona v procesoru nebo mikrokontroléru. I když to zní jednoduše, není to zase tak snadné. Protože v této metodě přidáváme do uzavřené el. smyčky další prvek (rezistor), ovlivňuje se zde měřením přímo samotný měřený proudu, což logicky může snižovat přesnost měření a v horším případě i ovlivňovat funkci obvodu. Proto je důležité vhodně zvolit hodnotu rezistoru tak, aby byla dostatečně veliká z pohledu generovaného úbytku napětí, ale zároveň tak malá, aby příliš neovlivňovala samotný proud a také aby zahříváním samotného snímacího rezistoru se v průběhu měření příliš neměnil jeho odpor a tím i přesnost měření.

Výhoda této metody měření je při použití k tomuto účelu vhodných snímacích rezistorů velmi dobrá přesnost (>95%), snadná realizace a nízká cena. Nevýhodou je velmi omezený rozsah měřených proudů (max. cca 20 A), velký ztrátový výkon měření a hlavně nemožnost přímého galvanické oddělení měření, což je u větších proudů často velký problém.

Tento problém v zásadě řeší druhá možnost, tedy měření také úbytku napětí na snímacím rezistoru, ale zapojeného v sekundáru měřícího proudového transformátoru. Zde již jsme galvanicky oddělení od primární proudové cesty a tím možnost měření i velkých proudů až 1000 A, ale nevýhodou této metody je nižší přesnost, protože do měření zanášíme další součástku, velké rozměry trafa a i dost vysoké náklady na realizaci. V poslední řadě nelze tuto metodu dostatečně miniaturizovat, což ji v dnešní době odsunuje na vedlejší kolej a je prakticky vhodná jen pro pokusná měření a laboratoře.

Poslední praktickou a stále častěji využívanou možností měření proudu je využití Lenzova zákona a měření proudu prostřednictvím jím generovaného magnetického pole vytvářeného vždy při průchodu el. proudu vodičem. K převodu mag. pole, resp. indukce mag. pole, na el. napětí slouží Hallův snímač (viz podrobný článek Magnetické senzory s Hallovým efektem - 1. princip). Výhodou zde je galvanické oddělení měření od primární cesty proudu a tedy vhodnost i pro velmi velké proudy až stovek A. Nevýhodu vždy bývala menší přesnost (cca 90%), kterou však některými metodami lze výrazně vylepšit až na hodnotu i lepší než je dosahována u snímacích rezistorů (tedy >95%). A navíc v současné době je obrovskou výhodou možnost absolutní integrace celého měření do jedné malé křemíkové součástky zvané proudový senzor (current sensor).

Možnosti měření proudu Hallovým snímačem

V zásadě existují dva různé způsoby realizace této metody:

Měření v otevřené smyčce (Open Loop Hall Effect Current Sensor)
Měření v uzavřené smyčce (Closed Loop Hall Effect Current Sensor)

V prvním případě je výhodu velmi snadná realizace měření, kdy se prostě jen Hallovým senzorem umístěným ve vzduchové mezeře feromagnetického prstence měří intenzita magnetického pole. Prstenec obepíná měřený vodič a „stahuje“ mag. pole právě do místa se senzorem. Ten pak na svém výstupu dává mag. indukci, resp. proudu, úměrné el. napětí. Nevýhodu obvykle bývala menší přesnost měření způsobená nepřesností a offsetem Hallova snímače a známými negativními jevy v feromagnetickém jádře (smyčkové proudy a jen omezeně lineární magnetizační B-H charakteristika).

Měření proudu s Hallovým senzorem v otevřené smyčce

Tyto negativní vlivy je možné úplně vyrušit měřením v uzavřené smyčce, kde se zpět magnetizuje feromag. prstenec opačným proudem tak, že ve výsledku se negativní jevy vyruší (v prstenci se od magnet. toku od měřeného proudu odečte magnet. tok generovaný zpětnovazebním proudem regulovaným Hallovým snímačem tak, aby se obě tyto složky vyrovnaly a odečetly = nulová mag. indukce na Hallovém snímači). Výsledkem měření je pak regulační proud v uzavřené smyčce. Tento způsob poskytuje sice velmi vysokou přesnost měření prosté všech negativních vlivů, je vhodná i pro velké frekvence proudů (až 150 kHz) ale je složitý na realizaci a tedy i drahý.

Měření proudu s Hallovým senzorem v uzavřené zpětnovazební smyčce, kde se magnetický tok v prstencovém jádře od primárního měřeného proudu (Iprimary) snažíme vykompenzovat opačným mag. tokem od sekundárního proudem (Isecondary). Výstupním signálem je napětí Vsense.

Princip a provedení integrovaného senzoru proudu

Jak již je v posledních letech skoro běžné, vše co je jen možné se lidstvo snaží integrovat do stále menších součástek. Nejinak tomu je i u měření proudu právě výše popsanou metodou s Hallovým snímačem. Díky tomu je měřící část galvanicky oddělená od primární proudové cesty a tedy mechanicky zajištěna proti poškození čehokoliv na výstupních signálových vývodech senzoru. Protože je vše uvnitř pouzdra integrovaného obvodu, jeho použití je téměř bezproblémové a ve většině případu jen stačí prostě senzor jen vzít zařadit ho do cesty měřenému proudu, tedy do jedné či více svorek proud přivádět a z další svorky nebo svorek proud odvádět a na výstupních svorkách „odebírat“ signálové napětí, jehož úroveň odpovídá dle přepočítávacího koeficientu mV/A (citlivosti) hodnotě proudu.

Zatímco pro malé proudy mohou být fyzicky vstupní a výstupní proudové svorky shodné s ostatními vývody, u senzorů pro velké proudy (až 200 A) jsou tyto proudové svorky velmi masivní a na první pohled je jasně zřetelné, pro jaký účel slouží. Proudové senzory mohou být buď jednosměrné (pro stejnosměrné proudy) nebo obousměrné (pro střídavé proudy). Na první pohled se vizuálně provedením pouzdra tyto dvě skupiny obvykle neliší.

Základní zapojení proudového senzoru ACS712

Ukázky hustoty proudu v různých částech na přiváděcích vodičích, vývodech a uvnitř proudového senzoru -
ACS705 pro až 30A (nahoře) a ACS754 pro až 200 A (dole)

Jak je to tedy provedeno uvnitř ?

Prakticky jde o zminiaturizovanou výše popsanou metodu s otevřenou smyčkou buď bez feromagnetického prstence, který u malých proudů, kde může být úzká vodivá cesta přímo těsně (několik mikrometrů) nad Hallovým elementem, tu není potřeba (viz obrázky senzoru ACS705 a ACS712) nebo včetně integrovaného malinkého feromag. obvodu (koncentrátor mag. pole) v provedeních pro proudy zhruba od 50 A výše, kde již díky požadavku na nízký odpor vodiče musí být cesta větší než samotný Hallův element (viz obrázky senzoru ACS752 a ACS754).

V obou případech však vodivá cesta pro měřený proud (tzv. primární vodič) prakticky vždy přímo propojuje („zkratovává“) vnější vstupní a výstupní svorky součástky. Integrovaný primární vodič je vždy měděný a dle proudového dimenzování senzoru má odpor od 100 mikroOhmů do jednotek miliOhmů. Logicky čím větší je snímací rozsah, tím menší musí být odpor, aby hlavně tepelné výkonové ztráty nepřesáhly teplotní mez, kterou křemíkový integrovaný obvod snese. To je totiž zde to hlavní omezení měřícího proudového rozsahu. Sice senzorem například na 30 A se dají přesně měřit i větší proudy, ale o tom až v 2. dílu tohoto seriálu, kde se dozvíte, jak na to. S tím souvisí i provedení a dimenzování vývodů, kde u malých klasických SMD pouzder typu SOIC se využívá paralelního spojení několika sousedních vývodů, zatímco u speciálních velkých pouzder již jsou vývody masivní, dimenzované pro velké proudy.

Samotný Hallův snímač a výstupní obvody jsou pak již často realizovány stejně jako u diskrétních integrovaných Hallových senzorů. Protože jde o měření v otevřené smyčce, kde se přesnosti měření uplatňují negativní vlastnosti Hallova snímače i vlivu okolí (offset, teplotní závislost a výrobní odchylka převodní konstanty (citlivosti), vnější elmag. rušení), bývají rovněž implementovány různé metody pro jejich potlačení. Výstupní napětí dané citlivostí senzoru bývá u radiometrických provedení cca +/- 1/2 napájecího napětí.

Principielní zapojení proudového senzoru ACS 752 firmy Allegro pro proudy +/- 100 A a citlivostí 20 mV/A

Například v proudovém senzoru ACS712 firmy Allegro (viz obrázek níže) se využívají pro odstranění negativních vlivů následující prostředky:

Metoda chopované stabilizace technologií BiCMOS pro odstranění dynamického offsetu Hallova elementu
Kompenzace zesílení za Hallovým elementem napojeného zesilovače pro odstranění teplotní závislosti citlivosti
Tovární laserové nastavení odchylky citlivosti senzorua, aby odpovídala katalogové hodnotě
Filtr typu dolní propust pro odstranění vnějšího rušení, který je možné jeho zlomovou frekvenci určit externě zapojenými součástkami a tak definovat frekvenční rozsah měřeného proudu.
Úprava linearity výstupního napětí a offsetu proudu 0 A na výstupní části senzoru

Principielní zapojení proudového senzoru ACS 712 firmy Allegro pro proudy +/- 5 A až 30 A a citlivostí 185 až 66 mV/A (dle konkrétní verze)

Závěr

Integrované proudové senzory umožňují snadno provést to, co dříve vyžadovalo více práce s návrhem a realizací a studentům ve školách často dělalo mnoho problémů. Nabídka těchto senzorů je již velmi rozsáhlá a mnoho známých výrobců je má ve svém výrobním sortimentu. Jejich parametry a množstvím potřebných externích součástek, kterými je nutné integrovaný obvod doplnit, se různí typ od typu, výrobce od výrobce. Záleží tedy na konstruktérech, který se jim zrovna „hodí do krámu“.

Ale ne vždy je nutné pro potřeby měřeni větších proudů volit senzor s větším rozsahem. Někdy to ani není možné. Existují však i různé fígle, jak to provést a přitom si nesnížit přesnost měření. O tom a také o příkladech některých zástupců bude 2. díl seriálu článků „Integrované senzory proudu a problematika použití“ na serveru automatizace.HW.cz.

Antonín Vojáček