Jste zde

Integrované senzory proudu a problematika použití – 2.část

Antonín Vojáček, 22. Březen 2009 - 16:58

Ne vždy je nutné pro potřeby měřeni větších proudů volit integrovaný proudový senzor s větším rozsahem. Někdy to ani není možné. Existují však i různé fígle, jak to provést a přitom si nesnížit přesnost měření. O tomto problému a také o jeho řešení na příkladech některých zástupců společnosti Allegro MicroSystems je tento 2. díl.

Mezi základní měření elektrických veličin patří měření el. proudu. Tak jsem začal první část o integrovaných senzorech proudu (Integrované senzory proudu a problematika použití – 1.část), ve které jste se mohli dočíst, co to integrovaný senzor proudu vlastně je, na jakém principu pracuje a jaká provedení se zhruba vyrábí. Dnes navážeme naopak více prakticky a v následujících řádcích se dočtete, co dělat, když proudový rozsah senzoru nestačí a mi nechceme kupovat jinou součástku nebo ani provedení s větším rozsahem není k dispozici.

Jednou z možností externího rozšíření měřícího rozsahu integrovaného proudového senzoru je použití paralelní cesty

Problematika použití integrovaných senzorů proudu

Celá problematika použití spočívá ve správném a hlavně co nejméně ztrátovém „protlačení“ měřeného proudu skrze integrovaný obvod, respektive uvnitř integrovanou speciální snímací vodivou cestu nad Hallovým elementem.

Protože stále jde o dost malou křemíkovou součástku, je velikost proudu, která může protéct, dost omezená, i když současné měděné vodivé cesty v součástce mají odpor velmi malý (i hluboko pod 1 miliOhm). To umožňuje vyrábět proudové senzory pro proudy desítek i stovek A. Například proudový senzor ACS754 společnosti Allegro (viz foto vlevo) má díky odporu snímací (tzv. primární) vodivé cesty jen 100 mikroOhmů a masivním připojovacím svorkám, proudový limit 200 A!! To je sice již pro běžného „smrtelníka“ velmi vysoká hodnota, ale právě ty aplikace, kde je nutné měřit ještě větší proudy (např. 300 A), jsou klíčové, protože zde již nelze moc prakticky využít klasickou bočníkovou metodu měření a ostatní metody jsou až „proklatě“ veliké (proudová trafa apod.).

Rozšíření rozsahu paralelní cestou

I zde však není nic ztraceno a i zde lze využít proudový senzor, například ten zmíněný ACS754. Stačí jen použít a provést trik s rozdělením základního k součástce přicházejícího vodiče na dva „kanály“ a tím rozdělit proud na onu měřenou složku max. 200 A a boční neměřenou složku 100 A. Samozřejmě se zde využívá, že zadaný poměr 2:1 je pořád konstatní a tedy jen vhodným nadefinováním převodní konstanty lze prakticky měřit hodnotou „celého“ proudu. To samé se dá použít i pro menší senzory, například výrazně menší 15 A senzor ACS704 s citlivostí 133 mV/A, kterým chceme měřit třeba až 30 A. Bohužel každým rozdělením celkového proudu na měřenou a neměřenou část dochází ke „kompresi“ měření a tedy ke snížení rozlišení. Dále pak v případě realizace paralelní cesty z klasického vodiče na desce plošných spojů (DPS), může mít velký vliv na přesnost měření samotná přesnost výroby (vyleptání) této cesty a i její teplotní závislost.

Příklad možného rozšíření měřícího rozsahu proudového senzoru ACS704 paralelní cestou (vlevo) a
průběh proudové hustoty takového zapojení (vpravo)

Rozšíření rozsahu hloupým senzorem

První možností, jak tyto nežádoucí vlivy omezit, je buď použít místo vodiče (vodivé cesty) tzv. hloupý senzor (dummy current sensor), což není nic jiného než maketa pravého senzoru, který sice obsahuje uvnitř primární snímací vodič (cestu), ale již ne Hallův element a vyhodnocovací elektroniku. Teplotní závislosti a odpor je tedy stejný jako u „pravého“ měřícícho senzoru a tedy rozdělení proudu je opravdu konstantní v celém rozsahu a při různých okolních podmínkách. Hloupé senzory sice například firma Allegro nabízí, ale jen na přání. Navíc stále jsme se nezbavili té komprese. Takže tento princip není moc výhodný.

Příklad paralelního zapojení plného proudového senzoru ACS704 (obvod dole) a jeho "hloupého" dvojníka
bez Hallova prvku a elektroniky (umístěný nahoře)

Rozšíření rozsahu s dvěma paralelními senzory

Problém komprese rozlišení měření je možné odstranit jen paralením zapojením dvou stejných proudových senzorů, např. zmíněných ACS754 nebo ACS704, a vhodným sečtením obou jejich výstupů. Důležité je slovo „vhodně“, protože oba paralelní senzory z pohledů svých výstupů ve směru toku proudu jsou v negativní (vzájemně opačné) orientaci. Je proto nutné analogový napěťový výstup jednoho z nich invertovat a až pak provést jejich sečtení. Aby se však neznásobila úroveň napětí celkového výstupního signálu a na venek (z pohledu výstupu) se dvojce senzorů chovala jako jeden s větším rozsahem, je nutné jejich napěťové výstupy před součtem dělit 2 (komprese signálu, resp. citlivosti paralelního zapojení). Po součtu pak budeme mít zase plný výstupní signál se stejným napěťový rozsahem jako při použítí jednoho senzoru, ale s dvojnásobným rozlišením proti použití první varianty jen s jední měřícím senzorem – viz zapojení níže se dvěma 15 A senzory ACS704 pro měření 30A nebo dvěma 200 A senzory ACS754 pro rozsah až 400 A.

Příklad paralelního zapojení dvou stejných 15 A proudových senzorů ACS704 pro měřící rozsah 30 A (vlevo) a VA měřící charakteristiky
obou jednotlivých senzorů i jejich součet (modrá čára) vzhledem k celkovému měřenému proudu

Příklad vhodného zapojení paralelní kombinace dvou proudových senzorů ACS704, aby se výstupy sčítaly a
výstupní signál napěťový zůstal ve stejném rozsahu

Příklad paralelního zapojení dvou stejných silových proudových senzorů ACS754 s rozsahem 200 A
a průběh proudové hustoty tohoto zapojení

Příklad návrhu zapojení s jedním senzorem

I když na první pohled se může návrh výše uvedené první možnosti s jedním senzorem zdát složitý není úplně pravda. Prakticky jde o jednoduchý proudový dělič, kde odpor cesty se senzorem Rsens je dán odporem přívodních vodičů k senzoru a odporem primárního vodiče uvnitř senzoru a odpor paralelní cesty (RShunt) jen čistě z odporu navrženého vodiče. Na DPS se pak vypočítá vhodná délka a šířka měděných spojů.

Vše se točí okolo následujících 3 vzorců:

, ,.

Na základě šířky a délky měřící cesty s definovaným senzorem proudu, vodivost a tloušťky mědi na DPS a délce sekundární paralení cesty, která bývá téměř stejná jako cesta primární, vypočítáme její šířku, aby bylo dosaženo požadovaného proudového poměru.

Příklad návrhu zapojení se dvěma paralelními senzory

Příklad vstupních hodnot:

ISens = ITot / 3
LSens1 = 8.5 mm
LSens2 = 8.5 mm
LShunt = 18 mm
ρc = 2.5 × 10–5 Ω / mm
RPrimary = 1.5 mΩ
T = 0.14 mm (tloušťka mědi)
WSens = 5 mm

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 s 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“.

A protože integrované proudové senzory jsou určitě zajímavou, ale obecně málo známou součástkou, budou se o nich na serveru automatizace.HW.cz postupně objevovat i další články a bleskovky.

Antonín Vojáček