Techniki wykrywania prądu wykorzystujące różne czujniki prądu

Prąd jest bardzo krytycznym czynnikiem w elektronice lub elektrotechnice. W elektronice prąd może mieć szerokość pasma od kilku nanoamperów do setek amperów. Zakres ten może być znacznie szerszy w dziedzinie elektrycznej, zwykle do kilku tysięcy amperów, zwłaszcza w sieciach energetycznych. Istnieją różne metody wykrywania i pomiaru prądu w obwodzie lub przewodniku. W tym artykule omówimy, jak mierzyć prąd przy użyciu różnych technik wykrywania prądu, z ich zaletami, wadami i zastosowaniami.

Metoda wykrywania prądu przez czujnik Halla

Efekt Halla został odkryty przez amerykańskiego fizyka Edwina Herberta Halla i może być użyty do wykrywania prądu. Zwykle jest używany do wykrywania pola magnetycznego i może być przydatny w wielu zastosowaniach, takich jak prędkościomierz, alarm drzwi, DIY BLDC.

Czujnik Halla wytwarza napięcie wyjściowe w zależności od pola magnetycznego. Stosunek napięcia wyjściowego jest proporcjonalny do pola magnetycznego. Podczas procesu wykrywania prądu prąd jest mierzony poprzez pomiar pola magnetycznego. Napięcie wyjściowe jest bardzo niskie i należy je wzmocnić do użytecznej wartości za pomocą wzmacniacza o dużym wzmocnieniu i bardzo niskim poziomie szumów. Oprócz obwodu wzmacniacza czujnik Halla wymaga dodatkowych obwodów, ponieważ jest przetwornikiem liniowym.

Plusy:

1. Może być używany w wyższych częstotliwościach.
2. Może być dokładnie używany zarówno w AC, jak i DC.
3. Metoda bezkontaktowa.
4. Może być używany w trudnych warunkach.
5. Jest niezawodny.

Cons:

1. Czujnik dryfuje i wymaga kompensacji.
2. Dodatkowy obwód wymaga użytecznego wyjścia.
3. Kosztowna niż technika zastawkowa.

Czujniki Halla są używane w miernikach cęgowych, a także w wielu aplikacjach wykrywania prądu w przemyśle i motoryzacji. Wiele typów liniowych czujników Halla może wykrywać prąd od kilku miliamperów do tysięcy amperów. Z tego powodu aplikacja Smart Grid Monitoring wykorzystuje również inny typ czujnika Halla do monitorowania prądu w przewodzie.

Metoda wykrywania prądu czujnika bramki strumienia

Cewka nasycalna jest głównym składnikiem techniki wykrywania Fluxgate. Z tego powodu czujnik Fluxgate nazywany jest nasycalnym czujnikiem prądu cewki indukcyjnej. Rdzeń cewki, który jest używany w czujniku fluxgate, pracuje w obszarze nasycenia. Poziom nasycenia tej cewki indukcyjnej jest bardzo czuły i każda wewnętrzna lub zewnętrzna gęstość strumienia zmienia poziom nasycenia cewki. Przepuszczalność rdzenia jest wprost proporcjonalna do poziomu nasycenia, stąd też zmienia się indukcyjność. Ta zmiana wartości cewki indukcyjnej jest analizowana przez czujnik bramki strumienia w celu wykrycia prądu. Jeśli prąd jest wysoki, indukcyjność spada, jeśli prąd jest niski, indukcyjność staje się wysoka.

Czujnik Halla działa podobnie do czujnika fluxgate, ale jest między nimi jedna różnica. Różnica tkwi w materiale rdzenia. Czujnik Flux Gate wykorzystuje nasycalną cewkę indukcyjną, ale czujnik Halla wykorzystuje rdzeń powietrzny.

Na powyższym rysunku pokazano podstawową konstrukcję czujnika strumienia. Istnieją dwie cewki, pierwotna i wtórna, owinięte wokół nasycalnego rdzenia cewki indukcyjnej. Zmiany w przepływie prądu mogą zmienić przepuszczalność rdzenia, powodując zmianę indukcyjności w drugiej cewce.

Plusy:

1. Może mierzyć w szerokim zakresie częstotliwości.
2. Ma dużą celność.
3. Niskie przesunięcie i dryfty.

Cons:

1. Wysokie zużycie energii wtórnej
2. Czynnik ryzyka wzrasta w przypadku szumów napięciowych lub prądowych w przewodzie pierwotnym.
3. Nadaje się tylko do prądu stałego lub prądu przemiennego o niskiej częstotliwości.

Czujniki Fluxgate są używane w falownikach słonecznych do wykrywania prądu. Poza tym pomiary prądu AC i DC w zamkniętej pętli można łatwo wykonać za pomocą czujników Flux Gate. Metoda wykrywania prądu Flux Gate może być również używana do pomiaru prądu upływu, wykrywania przetężenia itp.

Metoda pomiaru prądu cewki Rogowskiego

Cewka Rogowskiego nosi imię niemieckiego fizyka Waltera Rogowskiego. Cewka Rogowskiego jest wykonana za pomocą spiralnej cewki powietrznej z rdzeniem powietrznym i owinięta wokół docelowego przewodnika w celu pomiaru prądu.

Na powyższym zdjęciu cewka Rogowskiego z dodatkowymi obwodami. Obwód dodatkowy to obwód integratora. Cewka Rogowskiego dostarcza napięcie wyjściowe w zależności od szybkości zmian prądu w przewodniku. Dodatkowy obwód integratora jest wymagany do wytworzenia napięcia wyjściowego, które jest proporcjonalne do prądu.

Plusy:

1. Jest to dobra metoda wykrywania szybkich zmian prądu o wysokiej częstotliwości.
2. Bezpieczna obsługa pod względem obsługi uzwojenia wtórnego.
3. Tanie rozwiązanie.
4. Elastyczność w obsłudze dzięki konstrukcji otwartej pętli.
5. Kompensacja temperatury nie jest skomplikowana.

Cons:

1. Pasuje tylko do AC
2. Ma niską czułość niż przekładnik prądowy.

Cewka Rogowskiego ma szerokie zastosowanie. Na przykład pomiar prądu w dużych modułach mocy, zwłaszcza na tranzystorach MOSFET lub tranzystorach dużej mocy lub na IGBT. Cewka Rogowskiego zapewnia elastyczną opcję pomiaru. Ponieważ odpowiedź cewki Rogowskiego jest bardzo szybka w przypadku stanów nieustalonych lub fal sinusoidalnych o wysokiej częstotliwości, dobrym wyborem jest pomiar nieustalonych prądów o wysokiej częstotliwości w liniach elektroenergetycznych. W dystrybucji energii lub w inteligentnej sieci cewka Rogowskiego zapewnia doskonałą elastyczność przy pomiarach prądu.

Metoda wykrywania prądu przekładnika prądowego

Przekładnik prądowy lub przekładnik prądowy służy do wykrywania prądu za pomocą napięcia wtórnego, które jest proporcjonalne do prądu w cewce wtórnej. To transformator przemysłowy przekształca dużą wartość napięcia lub prądu na znacznie mniejszą wartość w swojej cewce wtórnej. Pomiar jest wykonywany na drugim wyjściu.

Na powyższym obrazku pokazano konstrukcję. Jest to idealny transformator CT o przełożeniu pierwotnym i wtórnym 1: N. N zależy od specyfikacji transformatora. Dowiedz się więcej o transformatorach tutaj.

Plusy:

1. Duża aktualna zdolność przeładunkowa, większa niż w przypadku innych metod przedstawionych w tym artykule.
2. Nie wymagają dodatkowych obwodów.

Cons:

1. Wymaga konserwacji.
2. Histereza występuje z powodu namagnesowania.
3. Wysoki prąd pierwotny nasyca materiały rdzenia ferrytowego.

Głównym zastosowaniem techniki wykrywania prądu opartej na przekładniku CT jest w sieci energetycznej ze względu na bardzo dużą zdolność pomiaru prądu. Niewiele mierników cęgowych wykorzystuje również przekładnik prądowy do pomiaru prądu przemiennego.

Metoda wykrywania prądu przez rezystor bocznikowy

Jest to najczęściej stosowana metoda w obecnych technikach wykrywania. Ta technika jest oparta na prawie Ohma.

Do wykrywania prądu używany jest szeregowy rezystor o niskiej wartości. Kiedy prąd przepływa przez rezystor o niskiej wartości, wytwarza różnicę napięcia na rezystorze.

Weźmy przykład.

Załóżmy, że prąd 1A przepływa przez rezystor 1-omowy. Zgodnie z prawem Ohma Napięcie jest odpowiednikiem prądu x rezystancji. Dlatego też, gdy prąd 1 A przepływa przez rezystor 1-omowy, będzie wytwarzał 1 V na rezystorze. Moc rezystora jest krytycznym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Jednak na rynku dostępne są również rezystory o bardzo małej wartości, których rezystancja jest w zakresie mili-omów. W takim przypadku różnica napięcia na rezystorze jest również bardzo mała. Aby zwiększyć amplitudę napięcia, wymagany jest wzmacniacz o dużym wzmocnieniu, a na koniec prąd jest mierzony przy użyciu podstawy obliczeń odwrotnych.

Alternatywnym podejściem do tego typu techniki wykrywania prądu jest użycie ścieżki PCB jako rezystora bocznikowego. Ponieważ ślad miedziany na płytce drukowanej ma bardzo małą rezystancję, ślad można wykorzystać do pomiaru prądu. Jednak w takim alternatywnym podejściu kilka zależności jest również dużym problemem, aby uzyskać dokładny wynik. Głównym czynnikiem zmieniającym grę jest dryfowanie temperatury. W zależności od temperatury, rezystancja śladowa zmienia się, powodując błąd. Ten błąd należy zrekompensować w aplikacji.

Plusy:

1. Bardzo ekonomiczne rozwiązanie
2. Może pracować w AC i DC.
3. Dodatkowe wyposażenie nie jest wymagane.

Cons:

1. Nie nadaje się do pracy z wyższym prądem ze względu na rozpraszanie ciepła.
2. Pomiar bocznikowy zapewnia niepotrzebny spadek sprawności systemu ze względu na straty energii na rezystorze.
3. Dryft termiczny zapewnia błąd wynikający z zastosowania w wysokiej temperaturze.

Zastosowanie rezystora bocznikowego obejmuje cyfrowy amperomierz. Jest to dokładna i tańsza metoda inna niż czujnik Halla. Rezystor bocznikowy może również zapewnić ścieżkę o niskiej rezystancji i umożliwia przepływ prądu elektrycznego z jednego punktu do drugiego w obwodzie.

Jak wybrać właściwą metodę wykrywania prądu?

Wybór właściwej metody wykrywania prądu nie jest trudny. Przy wyborze odpowiedniej metody należy wziąć pod uwagę kilka czynników, takich jak:

1. Jaka dokładność jest potrzebna?
2. Pomiar DC lub AC lub oba?
3. Ile energii potrzeba?
4. Jaki jest obecny zakres i przepustowość do pomiaru?
5. Analiza cen.

Poza tym należy również rozważyć akceptowalną czułość i tłumienie zakłóceń. Ponieważ nie można spełnić każdego czynnika, dokonuje się pewnych kompromisów, aby skompromitować jedną funkcję z drugą, w zależności od priorytetu wymagań aplikacji.