Strömavkänningstekniker med olika strömgivare

Ström är en mycket kritisk faktor inom elektronik eller elektroteknik. I elektronik kan ström ha en bandbredd från några nano-ampere till hundratals ampere. Detta intervall kan vara mycket bredare inom elektriskt område, vanligtvis till flera tusen ampere, särskilt i kraftnät. Det finns olika metoder för att känna av och mäta ström inuti en krets eller en ledare. I den här artikeln kommer vi att diskutera hur man mäter ström med olika strömavkänningstekniker med deras fördelar, nackdelar och applikationer.

Halleffektsensor Strömavkänningsmetod

Hall Effect upptäcks av den amerikanska fysikern Edwin Herbert Hall och kan användas för att känna av strömmen. Det används vanligtvis för att upptäcka magnetfält och kan vara användbart i många applikationer som hastighetsmätare, dörrlarm, DIY BLDC.

Hall Effect-sensorn producerar en utspänning beroende på magnetfältet. Förhållandet mellan utspänningen är proportionellt mot magnetfältet. Under den aktuella avkänningsprocessen mäts strömmen genom att mäta magnetfältet. Utgångsspänningen är mycket låg och måste förstärkas till ett användbart värde med hjälp av en förstärkare med hög förstärkning med mycket låg ljudnivå. Förutom förstärkarkretsen kräver Hall Effect-sensorn ytterligare kretsar eftersom det är en linjär givare.

Fördelar:

1. Kan användas i högre frekvens.
2. Kan användas i både växelström och likström exakt.
3. Icke-kontakt baserad metod.
4. Kan användas i grov miljö.
5. Det är pålitligt.

Nackdelar:

1. Sensorn driver och kräver kompensation.
2. Ytterligare krets kräver användbar utgång.
3. Dyrt än shuntbaserad teknik.

Hall-effektsensorer används i klämmätare såväl som i många strömavkänningsapplikationer för industri och bil. Många typer av linjär Hall-effektsensor känner av ström från flera mil-ampere till tusentals ampere. På grund av detta använder Smart Grid Monitoring Application också en annan typ av Hall-effektsensor för att övervaka ledarströmmen.

Flux Gate Sensor Current Sensing Method

En mättbar induktor är huvudkomponenten för Fluxgate-avkänningstekniken. På grund av detta kallas Fluxgate-sensor som mättbar induktorströmssensor. Induktorkärnan som används för fluxgate-sensorn fungerar i mättnadsområdet. Mättnadsnivån för denna induktor är mycket känslig och eventuell intern eller extern flödestäthet ändrar induktorns mättnadsnivå. Kärnans permeabilitet är direkt proportionell mot mättnadsnivån, varför induktansen också förändras. Denna förändring i induktansvärde analyseras av flödesgrindsensorn för att känna av strömmen. Om strömmen är hög blir induktansen lägre, om strömmen är låg blir induktansen hög.

Hall Effect-sensorn fungerar på samma sätt som fluxgate-sensorn, men det finns en skillnad mellan dem. Skillnaden ligger i kärnmaterialet. Flux Gate-sensorn använder en mättbar induktor men Hall Effect-sensorn använder luftkärna.

I bilden ovan visas den grundläggande konstruktionen för en flödesgrindsensor. Det finns två primära och sekundära spolar lindade runt en mättbar induktorkärna. Förändringarna i strömflödet kan förändra kärnpermeabiliteten vilket resulterar i förändring av induktansen över den andra spolen.

Fördelar:

1. Kan mäta i ett brett frekvensområde.
2. Har stor noggrannhet.
3. Låg förskjutning och drift.

Nackdelar:

1. Hög sekundär energiförbrukning
2. En riskfaktor ökar för spännings- eller strömbrus i primärledaren.
3. Endast lämplig för likström eller lågfrekvent växelström.

Fluxgate-sensorer används i Solar Inverters för att känna av strömmen. Annat än detta kan sluten slinga och växelströmsmätning enkelt göras med hjälp av Flux Gate-sensorer. Flux Gate strömavkänningsmetod kan också användas vid läckströmmätning, överströmsdetektering etc.

Rogowski Coil Current Sensing Method

Rogowski-spolen är uppkallad efter den tyska fysikern Walter Rogowski. Rogowski-spolen är tillverkad med en spiralformad luftkärnspole och lindad runt den riktade ledaren för strömmätning.

I bilden ovan visas Rogowski-spolen med ytterligare kretsar. Ytterligare kretsar är en integratorkrets. Rogowski-spolen ger utspänning beroende på strömförändringshastigheten i ledaren. En ytterligare integratorkrets krävs för att skapa en utspänning som är proportionell mot strömmen.

Fördelar:

1. Det är en bra metod för att upptäcka snabb högfrekvent strömförändring.
2. Säker drift när det gäller hantering av sekundärlindningen.
3. Lågkostnadslösning.
4. Flexibilitet vid hantering på grund av öppen slinga.
5. Temperaturkompensering är inte komplex.

Nackdelar:

1. Endast lämplig för växelström
2. Har låg känslighet än den nuvarande transformatorn.

Rogowski-spolen har ett brett användningsområde. Till exempel mätning av ström i stora effektmoduler, särskilt över MOSFET: er eller högeffekttransistorer eller över IGBT. Rogowski-spolen ger ett flexibelt mätalternativ. Eftersom Rogowski-spolresponsen är mycket snabb över transienter eller högfrekventa sinusformade vågor är det ett bra val att mäta högfrekventa strömtransienter i kraftledningarna. I kraftdistribution eller i smart nät ger Rogowski-spolen utmärkt flexibilitet för strömmätningar.

Current Transformer Current Sensing Method

Strömtransformator eller CT används för att känna av strömmen med sekundärspänning som är proportionell med strömmen i sekundärspolen. Det är en industriell transformator som omvandlar det stora värdet av spänning eller ström till ett mycket mindre värde i sin sekundära spole. Mätningen tas över den sekundära utgången.

I bilden ovan visas konstruktionen. Det är en idealisk CT-transformator med ett primärt och sekundärt förhållande som 1: N. N beror på transformatorns specifikationer. Läs mer om transformatorer här.

Fördelar:

1. Stor strömhanteringskapacitet, mer än de andra metoderna som visas i den här artikeln.
2. Kräver inte ytterligare kretsar.

Nackdelar:

1. Kräver underhåll.
2. Hysteres uppstår på grund av magnetisering.
3. Hög primärström mättar ferritkärnmaterialen.

Huvudanvändningen av CT-transformatorbaserad strömavkänningsteknik är i elnätet på grund av mycket hög strömmätkapacitet. Få klämmätare använder också en strömtransformator för mätning av växelström.

Shunt Resistor Current Sensing Method

Detta är den mest använda metoden i nuvarande avkänningstekniker. Denna teknik är baserad på Ohms lag.

Ett lågvärdesmotstånd i serie används för att känna av strömmen. När strömmen flödar genom ett motstånd med lågt värde producerar det en spänningsskillnad över motståndet.

Låt oss ta ett exempel.

Antag att 1A ström strömmar genom ett 1-ohms motstånd. Enligt ohmens lag motsvarar spänningen ström x motstånd. Därför, när 1A ström strömmar genom ett 1 ohm motstånd, kommer det att producera 1V över motståndet. Motståndets watt är en kritisk faktor som ska beaktas. Det finns dock motstånd med mycket lågt värde också på marknaden, där motståndet ligger inom miliohm-intervallet. I ett sådant fall är spänningsskillnaden över motståndet också mycket liten. En förstärkare med hög förstärkning krävs för att öka amplituden för spänningen och slutligen mäts strömmen med den omvända beräkningsbasen.

Ett alternativt tillvägagångssätt för denna typ av strömavkänningsteknik är att använda PCB-spårningen som shuntmotstånd. Eftersom kopparspåret på ett kretskort erbjuder mycket liten motståndskraft kan man använda spåret för att mäta strömmen. Men i ett sådant alternativt tillvägagångssätt är flera beroenden också ett stort intresse för att få ett exakt resultat. Den viktigaste spelförändrande faktorn är temperaturdrift. Beroende på temperaturen ändras spårmotståndet vilket resulterar i ett felresultat. Man måste kompensera för detta fel i applikationen.

Fördelar:

1. Mycket kostnadseffektiv lösning
2. Kan fungera i AC och DC.
3. Ytterligare utrustning krävs inte.

Nackdelar:

1. Ej lämplig för högre strömdrift på grund av värmeavledning.
2. Shuntmätning ger en onödig minskning av systemeffektiviteten på grund av energispillet över motståndet.
3. Termisk drift ger felresultat i en applikation med hög temperatur.

Tillämpningen av Shunt-motstånd inkluderar digital förstärkarmätare. Detta är en exakt och billigare metod än Hall Effect-sensorn. Shuntmotståndet kan också ge en låg motståndsväg och tillåter en elektrisk ström att passera en punkt till den andra punkten i en krets.

Hur väljer jag rätt strömavkänningsmetod?

Att välja rätt metod för strömavkänning är inte svårt. Det finns få faktorer som måste övervägas för att välja rätt metod, som:

1. Hur mycket noggrannhet behövs?
2. DC- eller AC-mätning eller båda?
3. Hur mycket strömförbrukning krävs?
4. Vad är det aktuella intervallet och bandbredden som ska mätas?
5. Kostnadsberäkning.

Förutom dessa måste acceptabel känslighet och avstötning av störningar också övervägas. Eftersom varje faktor inte kan uppfyllas görs vissa avvägningar för att kompromissa med en funktion med den andra beroende på applikationens kravprioritet.