Характеристики преобразователя тока с замкнутым контуром

Правильно выбранный датчик тока для конкретного применения может легко прослужить более 25 лет. Принимая во внимание детали, приведенные в техническом описании, возможны более эффективные приложения и более надежные конструкции.

Эрик Ланге, инженер по маркетингу и приложениям | ЛЕМ США, Инк.

Измерение тока является неотъемлемой частью силовой электроники. Датчики тока обеспечивают это измерение с помощью различных доступных технологий. Наиболее распространенной используемой технологией является эффект Холла с обратной связью или магнитный затвор с обратной связью. Технология замкнутого контура предлагает множество конкретных преимуществ, необходимых разработчикам силовой электроники. Однако есть некоторые нечасто известные детали, которые могут сделать приложение исключительным или привести к сбою. Ниже приведены некоторые характеристики, на которые следует обратить внимание.

Преобразователи тока являются пассивными устройствами, поскольку они не оказывают активного влияния на измеряемый ток, но для работы им требуется питание. Типичные требования к питанию находятся в диапазоне менее 30 мА независимо от напряжения питания. Большинству датчиков требуется биполярное питание (обычно +/-15 В). Униполярные преобразователи питания становятся все более доступными. У устройств с замкнутым контуром есть дополнительные требования к потреблению тока для вторичных токов.

Датчики тока (не путать с трансформаторами тока) могут измерять постоянный и переменный токи. Для измерения постоянного тока требуются датчики тока. Это одна из двух характеристик, которые отличают датчики от других форм измерения тока. Чистый переменный ток можно измерить с помощью обычного трансформатора тока. Но если измеряемый ток имеет периоды времени без di/dt, необходим преобразователь тока.

Гальваническая развязка — это вторая характеристика, которая определяет выбор датчика тока в качестве решения для приложения измерения тока. Первичная и вторичная цепи датчика тока электрически изолированы друг от друга. Это обеспечивает высокий первичный потенциал (480 В), в то время как вторичное имеет более низкое управляющее напряжение (+/- 15 В или +5 В). Гальваническая изоляция достигается за счет магнетизма. Первичный ток создает магнитное поле, которое концентрируется магнитной цепью. Магнитное измерительное устройство измеряет поле B и выдает интенсивность в той или иной форме (напряжение или пороговый ток). Информация об интенсивности преобразуется в выходное напряжение или ток, который пропорционален первичному току.

Оригинальный разработанный преобразователь тока представляет собой эффект Холла с разомкнутым контуром. Этот преобразователь состоит из трех частей: магнитной цепи, ячейки Холла и усилителя. Выходное напряжение пропорционально первичному току.

Следующим достижением в технологии преобразователей является эффект Холла с обратной связью. Замкнутый контур использует концепцию разомкнутого контура и добавляет к выходу вторичную обмотку. Эта вторичная обмотка намотана вокруг магнитной цепи таким образом, что вторичный ток создает магнитное поле, противоположное полю, создаваемому первичным током. Это создает относительно менее магнитный сердечник. Преимуществами замкнутого контура являются фактическое отсутствие вихревых токов и более высокая пропускная способность. Выход можно смоделировать как источник тока с током, пропорциональным первичному току в соотношении, определяемом количеством вторичной обмотки. Тот факт, что коэффициент усиления определяется количеством вторичных обмоток, делает его практически невосприимчивым к изменению коэффициента усиления при изменении температуры. В паспорте преобразователя с замкнутым контуром не указано влияние температуры на характеристику усиления. Температура в устройстве с замкнутым контуром не влияет на усиление. Токовый выход является преимуществом, поскольку он менее восприимчив к источникам шума внутри приложения. Выходной ток замкнутого контура обычно проходит через «нагрузочный» резистор. Ток, проходящий через резистор, создает падение напряжения, которое можно измерить с помощью аналогово-цифровой ИС или ИС компаратора.

Рис. 1. Замкнутый контур

Магнитопровод с замкнутым контуром заменяет ячейку Холла детектором магнитопровода. Магнитный затвор представляет собой кусок магнитного материала, вставленный в разрыв магнитной цепи. Ядро магнитного затвора имеет обмотку вокруг него, которая возбуждается прямоугольным напряжением. Индуцируемый ток измеряется, и когда он достигает определенного порога, цикл прямоугольной волны меняется. Рабочий цикл прямоугольной волны пропорционален первичному току. Технология Flux Gate является цифровой по своей природе и имеет внутреннюю тактовую частоту, которая может проявляться в виде шума на тактовой частоте. Однако шум значительно превышает полосу пропускания преобразователя. Таким образом, полная система состоит из: магнитной цепи, феррозонда и обмотки, ASIC и вторичной обмотки. Нагрузочный резистор может быть внутренним по отношению к устройству, которое затем будет выдавать выходное напряжение. В противном случае будет генерироваться текущий выходной сигнал. Существуют и другие технологии Flux Gate, которые используют другие схемы возбуждения и обнаружения, но общие результаты аналогичны.