Trenutne tehnike osjetljivosti pomoću različitih strujnih senzora

Struja je vrlo važan čimbenik u elektronici ili elektrotehnici. U elektronici struja može imati širinu pojasa od nekoliko nano-ampera do stotina ampera. Ovaj raspon može biti mnogo širi u električnoj domeni, obično do nekoliko tisuća ampera, posebno u električnim mrežama. Postoje različite metode za osjet i mjerenje struje unutar kruga ili vodiča. U ovom ćemo članku raspravljati o mjerenju struje pomoću različitih tehnika osjetljivosti struje s njihovim prednostima, nedostacima i primjenama.

Način osjetljivosti struje senzora Hallovog efekta

Hallov efekt otkrio je američki fizičar Edwin Herbert Hall i njime se može osjetiti struja. Općenito se koristi za otkrivanje magnetskog polja i može biti koristan u mnogim aplikacijama poput brzinomjera, alarma na vratima, DIY BLDC.

Hall Effect senzor proizvodi izlazni napon ovisno o magnetskom polju. Odnos izlaznog napona proporcionalan je magnetskom polju. Tijekom postupka osjetljivosti struje, struja se mjeri mjerenjem magnetskog polja. Izlazni napon je vrlo nizak i treba ga pojačati do korisne vrijednosti korištenjem pojačala s velikim pojačanjem s vrlo niskim šumom. Osim kruga pojačala, senzor Hall Effect zahtijeva i dodatne sklopove jer je linearni pretvarač.

Pros:

1. Može se koristiti u višim frekvencijama.
2. Može se precizno koristiti u izmjeničnim i istosmjernim strujama.
3. Nekontaktna metoda.
4. Može se koristiti u grubim uvjetima.
5. Pouzdan je.

Protiv:

1. Senzor se pomakne i zahtijeva kompenzaciju.
2. Za korisni izlaz potreban je dodatni krug.
3. Skupo od tehnike temeljene na šantu.

Hall Effect senzori koriste se u stezaljkama, kao iu mnogim industrijskim i automobilskim primjenama struje. Mnoge vrste linearnih senzora Hallovog efekta mogu osjetiti struju od nekoliko mili-ampera do tisuća ampera. Zbog toga, Smart Grid Monitoring Application također koristi drugačiju vrstu Hallovog senzora efekta za praćenje struje vodiča.

Način osjetljivosti struje osjetnika protoka

Zasićeni induktor glavna je komponenta tehnike senziranja Fluxgate. Zbog toga se senzor Fluxgate naziva zasićeni osjetnik struje induktora. Jezgra induktora koja se koristi za senzor fluksiteta radi u području zasićenja. Razina zasićenja ovog induktora je vrlo osjetljiva i bilo koja unutarnja ili vanjska gustoća protoka mijenja razinu zasićenja induktora. Propusnost jezgre izravno je proporcionalna razini zasićenja, pa se i induktivitet mijenja. Ovu promjenu vrijednosti prigušnice analizira senzor protočnog vrata da bi se osjetila struja. Ako je struja velika, induktivnost postaje manja, ako je struja mala, induktivitet postaje velika.

Hall Effect senzor djeluje slično senzoru fluxgate, ali postoji jedna razlika između njih. Razlika je u materijalu jezgre. Flux Gate senzor koristi zasićeni induktor, ali Hall Effect senzor koristi zračnu jezgru.

Na gornjoj je slici prikazana osnovna konstrukcija osjetnika protoka. Postoje dvije primarne i sekundarne zavojnice omotane oko zasićene jezgre induktora. Promjene u strujnom toku mogu promijeniti propusnost jezgre što rezultira promjenom induktiviteta na drugoj zavojnici.

Pros:

1. Može mjeriti u širokom rasponu frekvencija.
2. Ima veliku točnost.
3. Mali pomak i zanošenja.

Protiv:

1. Velika sekundarna potrošnja energije
2. Povećava se faktor rizika za naponsku ili strujnu buku u primarnom vodiču.
3. Prikladno samo za istosmjernu ili niskofrekventnu izmjeničnu struju.

Senzori fluksita koriste se u solarnim pretvaračima za određivanje struje. Osim toga, mjerenje izmjenične i istosmjerne struje zatvorene petlje može se jednostavno izvršiti pomoću senzora Flux Gate. Metoda senzibiliteta struje protoka može se koristiti i za mjerenje struje propuštanja, otkrivanje prekomjerne struje itd.

Metoda ispitivanja struje zavojnice Rogowskog

Zavojnica Rogowskog nazvana je po njemačkom fizičaru Walteru Rogowskom. Rogowski zavojnica izrađena je pomoću spiralne zavojnice zračnog jezgra i omotana oko ciljanog vodiča za mjerenje struje.

Na gornjoj slici prikazana je zavojnica Rogowskog s dodatnim sklopovima. Dodatni sklop je sklop integratora. Rogowski zavojnica daje izlazni napon ovisno o brzini promjene struje u vodiču. Za stvaranje izlaznog napona proporcionalnog struji potreban je dodatni integratorski krug.

Pros:

1. Dobra je metoda za otkrivanje brzih promjena struje visoke frekvencije.
2. Siguran rad u smislu rukovanja sekundarnim namotom.
3. Rješenje jeftino.
4. Fleksibilnost u rukovanju zahvaljujući konstrukciji otvorene petlje.
5. Kompenzacija temperature nije složena.

Protiv:

1. Prikladno samo za AC
2. Ima nisku osjetljivost od strujnog transformatora.

Rogowski zavojnica ima širok spektar primjene. Na primjer, mjerenje struje u velikim modulima snage, posebno na MOSFET-ovima ili tranzistorima velike snage ili na IGBT-u. Rogowski zavojnica pruža fleksibilnu opciju mjerenja. Budući da je odziv zavojnice Rogowskog vrlo brz na prijelazne pojave ili visokofrekventne sinusne valove, dobar je izbor za mjerenje prijelaznih struja visoke frekvencije u dalekovodima. U distribuciji snage ili u pametnoj mreži, Rogowski zavojnica pruža izvrsnu fleksibilnost za trenutna mjerenja.

Metoda osjetljivosti struje strujnog transformatora

Strujni transformator ili CT koristi se za osjet struje sekundarnim naponom koji je proporcionalan struji u sekundarnoj zavojnici. Industrijski transformator pretvara veliku vrijednost napona ili struje u znatno manju vrijednost u svojoj sekundarnoj zavojnici. Mjerenje se vrši na sekundarnom izlazu.

Na gornjoj slici prikazana je konstrukcija. Idealan je CT transformator s primarnim i sekundarnim omjerom 1: N. N ovisi o specifikacijama transformatora. Ovdje saznajte više o transformatorima.

Pros:

1. Veliki kapacitet rukovanja strujom, veći od ostalih metoda prikazanih u ovom članku.
2. Ne trebaju dodatni sklopovi.

Protiv:

1. Zahtijeva održavanje.
2. Do histereze dolazi zbog magnetizacije.
3. Jaka primarna struja zasićuje materijale feritne jezgre.

Tehnika osjetljivosti na struju koja se temelji na CT transformatoru se uglavnom koristi u elektroenergetskoj mreži zbog vrlo velikog kapaciteta mjerenja struje. Nekoliko mjerača stezaljki također koristi strujni transformator za mjerenje izmjenične struje.

Metoda osjetljivosti struje otpornika na šante

Ovo je najčešće korištena metoda u trenutnim senzorskim tehnikama. Ova se tehnika temelji na ohmskom zakonu.

Otpor male vrijednosti u seriji koristi se za određivanje struje. Kad struja teče kroz otpor male vrijednosti, stvara se razlika napona na otporu.

Uzmimo primjer.

Pretpostavimo da 1A struje teče kroz 1-omski otpornik. Prema omskom zakonu, napon je ekvivalentan otporu struje x. Stoga, kad 1A struje protječe kroz 1-omski otpornik, on će proizvesti 1V preko otpornika. Snaga otpora je kritični faktor koji treba uzeti u obzir. Međutim, na tržištu su dostupni i otpornici vrlo male vrijednosti, gdje je otpor u opsegu mili-oma. U takvom je slučaju razlika napona na otporniku također vrlo mala. Pojačalo s velikim pojačanjem potrebno je za povećanje amplitude napona i napokon, struja se mjeri obrnutom osnovom izračuna.

Alternativni pristup za ovu vrstu trenutne senzorske tehnike je korištenje traga PCB-a kao ranžirnog otpora. Budući da bakreni trag PCB-a pruža vrlo mali otpor, trag se može koristiti za mjerenje struje. Međutim, u takvom alternativnom pristupu, nekoliko ovisnosti također je velika briga za dobivanje točnih rezultata. Glavni faktor koji mijenja igru ​​je zanošenje temperature. Ovisno o temperaturi, otpor u tragovima mijenja se što rezultira pogreškom. Treba nadoknaditi ovu pogrešku u aplikaciji.

Pros:

1. Vrlo isplativo rješenje
2. Može raditi u AC i DC.
3. Nije potrebna dodatna oprema.

Protiv:

1. Nije prikladno za rad veće struje zbog odvođenja topline.
2. Mjerenje šanta osigurava nepotrebno smanjenje učinkovitosti sustava zbog rasipanja energije preko otpornika.
3. Termički zanos daje rezultat pogreške u primjeni na visokim temperaturama.

Primjena Shunt otpornika uključuje digitalno pojačalo. Ovo je točna i jeftinija metoda koja nije Hallov efekt senzor. Rutacijski otpor također može pružiti put s malim otporom i omogućuje električnoj struji da prođe jednu točku u drugu točku u krugu.

Kako odabrati odgovarajuću metodu trenutnog osjetnika?

Odabir odgovarajuće metode za trenutni senzor nije teška stvar. Za odabir prave metode treba uzeti u obzir nekoliko čimbenika, poput:

1. Kolika je točnost potrebna?
2. Mjerenje istosmjerne ili izmjenične struje ili oboje?
3. Kolika je potrošnja energije?
4. Koji je trenutni opseg i širina pojasa koji se mjere?
5. Troškovi.

Osim tih, također treba uzeti u obzir prihvatljivu osjetljivost i odbijanje smetnji. Kako se svaki čimbenik ne može zadovoljiti, stvoreni su neki kompromisi koji kompromitiraju jednu značajku s drugom, ovisno o prioritetu zahtjeva za prijavu.