Τρέχουσες τεχνικές ανίχνευσης χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αισθητήρες ρεύματος

Το ρεύμα είναι ένας πολύ κρίσιμος παράγοντας στην Ηλεκτρονική ή στην Ηλεκτρολογία. Στα ηλεκτρονικά, το ρεύμα μπορεί να έχει εύρος ζώνης από λίγα νανο-αμπέρ έως εκατοντάδες αμπέρ. Αυτό το εύρος μπορεί να είναι πολύ ευρύτερο στο Ηλεκτρικό πεδίο τυπικά έως αρκετές χιλιάδες αμπέρ, ειδικά στα Power Grids. Υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι για την αίσθηση και τη μέτρηση του ρεύματος μέσα σε ένα κύκλωμα ή έναν αγωγό. Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε πώς να μετρήσουμε το ρεύμα χρησιμοποιώντας διάφορες τρέχουσες τεχνικές ανίχνευσης με τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και τις εφαρμογές τους.

Μέθοδος αισθητήρα τρέχοντος αισθητήρα Hall Effect

Το Hall Effect ανακαλύπτεται από τον Αμερικανό φυσικό Edwin Herbert Hall και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αίσθηση του ρεύματος. Χρησιμοποιείται γενικά για την ανίχνευση μαγνητικού πεδίου και μπορεί να είναι χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές όπως το ταχύμετρο, συναγερμός πόρτας, DIY BLDC.

Ο αισθητήρας Hall Effect παράγει τάση εξόδου ανάλογα με το μαγνητικό πεδίο. Η αναλογία της τάσης εξόδου είναι ανάλογη με το μαγνητικό πεδίο. Κατά τη διάρκεια της τρέχουσας διαδικασίας ανίχνευσης, το ρεύμα μετράται με μέτρηση του μαγνητικού πεδίου. Η τάση εξόδου είναι πολύ χαμηλή και πρέπει να ενισχυθεί σε μια χρήσιμη τιμή χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή υψηλού κέρδους με πολύ χαμηλό θόρυβο. Εκτός από το κύκλωμα ενισχυτή, ο αισθητήρας Hall Effect απαιτεί επιπλέον κυκλώματα καθώς είναι γραμμικός μετατροπέας.

Πλεονεκτήματα:

1. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλότερη συχνότητα.
2. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε AC όσο και σε DC με ακρίβεια.
3. Μέθοδος μη επαφής.
4. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σκληρό περιβάλλον.
5. Είναι αξιόπιστο.

Μειονεκτήματα:

1. Ο αισθητήρας παρασύρεται και απαιτεί αποζημίωση.
2. Απαιτείται πρόσθετο κύκλωμα για χρήσιμη έξοδο.
3. Ακριβές από την τεχνική που βασίζεται σε shunt.

Οι αισθητήρες Hall Effect χρησιμοποιούνται σε μετρητές σφιγκτήρα, καθώς και σε πολλές εφαρμογές ανίχνευσης τρέχουσας βιομηχανικής και αυτοκινητοβιομηχανίας. Πολλοί τύποι γραμμικών αισθητήρων εφέ Hall μπορούν να ανιχνεύσουν ρεύμα από πολλά mili-amp έως χιλιάδες αμπέρ. Λόγω αυτού, η εφαρμογή Smart Grid Monitoring χρησιμοποιεί επίσης έναν διαφορετικό τύπο αισθητήρα εφέ Hall για την παρακολούθηση του ρεύματος του αγωγού.

Μέθοδος ανίχνευσης ρεύματος αισθητήρα πύλης ροής

Ένας κορεσμένος επαγωγέας είναι το κύριο συστατικό της τεχνικής ανίχνευσης Fluxgate. Λόγω αυτού, ο αισθητήρας Fluxgate ονομάζεται αισθητήρας ρεύματος κορεσμένου επαγωγέα. Ο επαγωγικός πυρήνας που χρησιμοποιείται για τον αισθητήρα ροής λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού. Το επίπεδο κορεσμού αυτού του επαγωγέα είναι πολύ ευαίσθητο και οποιαδήποτε εσωτερική ή εξωτερική πυκνότητα ροής αλλάζει το επίπεδο κορεσμού του επαγωγέα. Η διαπερατότητα του πυρήνα είναι ευθέως ανάλογη με το επίπεδο κορεσμού, επομένως αλλάζει επίσης η αυτεπαγωγή. Αυτή η αλλαγή στην τιμή του επαγωγέα αναλύεται από τον αισθητήρα πύλης ροής για να ανιχνεύσει το ρεύμα. Εάν το ρεύμα είναι υψηλό, η αυτεπαγωγή γίνεται χαμηλότερη, εάν το ρεύμα είναι χαμηλό, η επαγωγή γίνεται υψηλή.

Ο αισθητήρας Hall Effect λειτουργεί παρόμοια με τον αισθητήρα ροής, αλλά υπάρχει μια διαφορά μεταξύ τους. Η διαφορά είναι στο βασικό υλικό. Ο αισθητήρας Flux Gate χρησιμοποιεί έναν κορεσμένο επαγωγέα, αλλά ο αισθητήρας Hall Effect χρησιμοποιεί πυρήνα αέρα.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται η βασική κατασκευή ενός αισθητήρα πύλης ροής. Υπάρχουν δύο πηνία πρωτογενείς και δευτερεύουσες τυλιγμένες γύρω από έναν κορεσμένο πυρήνα επαγωγέα. Οι αλλαγές στην τρέχουσα ροή μπορούν να μεταβάλουν τη διαπερατότητα του πυρήνα με αποτέλεσμα την αλλαγή της επαγωγής στην άλλη πηνία.

Πλεονεκτήματα:

1. Μπορεί να μετρήσει σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων.
2. Έχει μεγάλη ακρίβεια.
3. Χαμηλή μετατόπιση και μετατόπιση.

Μειονεκτήματα:

1. Υψηλή δευτερογενής κατανάλωση ισχύος
2. Αυξάνεται ένας παράγοντας κινδύνου για τάση ή ρεύμα θορύβου στον πρωτεύοντα αγωγό.
3. Κατάλληλο μόνο για DC ή χαμηλής συχνότητας AC

Οι αισθητήρες Fluxgate χρησιμοποιούνται στους ηλιακούς μετατροπείς για την ανίχνευση του ρεύματος. Εκτός από αυτό, η μέτρηση ρεύματος κλειστού βρόχου AC και DC μπορεί εύκολα να γίνει χρησιμοποιώντας αισθητήρες Flux Gate. Η μέθοδος ανίχνευσης ρεύματος Flux Gate μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στη μέτρηση ρεύματος διαρροής, στην ανίχνευση υπερέντασης κ.λπ.

Μέθοδος ανίχνευσης ρεύματος Rogowski Coil

Το πηνίο Rogowski πήρε το όνομά του από τον Γερμανό φυσικό Walter Rogowski. Το πηνίο Rogowski κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας πηνίο πυρήνα αέρα ελικοειδούς σχήματος και τυλίγεται γύρω από τον αγωγό στόχευσης για τρέχουσα μέτρηση.

Στην παραπάνω εικόνα, το πηνίο Rogowski εμφανίζεται με επιπλέον κύκλωμα. Το πρόσθετο κύκλωμα είναι κύκλωμα ολοκληρωτή. Το πηνίο Rogowski παρέχει τάση εξόδου ανάλογα με το ρυθμό αλλαγής ρεύματος στον αγωγό. Απαιτείται ένα πρόσθετο κύκλωμα ολοκληρωτή για την παραγωγή τάσης εξόδου ανάλογου με το ρεύμα.

Πλεονεκτήματα:

1. Είναι μια καλή μέθοδος για τον εντοπισμό γρήγορης αλλαγής ρεύματος υψηλής συχνότητας.
2. Ασφαλής λειτουργία όσον αφορά τον χειρισμό της δευτερεύουσας περιέλιξης.
3. Λύση χαμηλού κόστους.
4. Ευελιξία στο χειρισμό λόγω κατασκευής ανοικτού βρόχου.
5. Η αντιστάθμιση θερμοκρασίας δεν είναι περίπλοκη.

Μειονεκτήματα:

1. Κατάλληλο μόνο για AC
2. Έχει χαμηλή ευαισθησία από τον τρέχοντα μετασχηματιστή.

Το πηνίο Rogowski έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Για παράδειγμα, μέτρηση ρεύματος σε μεγάλες μονάδες ισχύος, ειδικά στα MOSFET ή στα τρανζίστορ υψηλής ισχύος ή σε ολόκληρο το IGBT. Το πηνίο Rogowski παρέχει ευέλικτη επιλογή μέτρησης. Καθώς η απόκριση πηνίου Rogowski είναι πολύ γρήγορη σε μεταβατικά ή ημιτονοειδή κύματα υψηλής συχνότητας, είναι μια καλή επιλογή για τη μέτρηση μεταβατικών ρεύματος υψηλής συχνότητας στις γραμμές ισχύος. Στην κατανομή ισχύος ή στο έξυπνο δίκτυο, το πηνίο Rogowski παρέχει εξαιρετική ευελιξία για τρέχουσες μετρήσεις.

Μέθοδος ανίχνευσης ρεύματος μετασχηματιστή

Ο μετασχηματιστής ρεύματος ή CT χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ρεύματος από δευτερεύουσα τάση που είναι ανάλογη με το ρεύμα σε δευτερεύον πηνίο. Είναι βιομηχανικός μετασχηματιστής που μετατρέπει τη μεγάλη τιμή τάσης ή ρεύματος σε πολύ μικρότερη τιμή στο δευτερεύον πηνίο του. Η μέτρηση πραγματοποιείται σε όλη τη δευτερεύουσα έξοδο.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται η κατασκευή. Είναι ένας ιδανικός μετασχηματιστής CT με πρωτογενή και δευτερεύουσα αναλογία ως 1: N. Το Ν εξαρτάται από τις προδιαγραφές του μετασχηματιστή. Μάθετε περισσότερα για τους μετασχηματιστές εδώ.

Πλεονεκτήματα:

1. Μεγάλη τρέχουσα ικανότητα χειρισμού, περισσότερο από τις άλλες μεθόδους που εμφανίζονται σε αυτό το άρθρο.
2. Δεν απαιτείται πρόσθετο κύκλωμα.

Μειονεκτήματα:

1. Απαιτείται συντήρηση.
2. Η υστέρηση συμβαίνει λόγω μαγνητισμού.
3. Υψηλό πρωτογενές ρεύμα κορεσμένα υλικά πυρήνα φερρίτη.

Η κύρια χρήση της τεχνικής ανίχνευσης ρεύματος που βασίζεται σε μετασχηματιστές CT είναι στο δίκτυο ισχύος λόγω της πολύ υψηλής ικανότητας μέτρησης ρεύματος. Λίγοι μετρητές σφιγκτήρα χρησιμοποιούν επίσης μετασχηματιστή ρεύματος για τη μέτρηση εναλλασσόμενου ρεύματος.

Μέθοδος ανίχνευσης τρέχουσας αντίστασης Shunt

Αυτή είναι η πιο χρησιμοποιούμενη μέθοδος στις τρέχουσες τεχνικές ανίχνευσης. Αυτή η τεχνική βασίζεται στο νόμο του Ohms.

Μια αντίσταση χαμηλής αξίας σε σειρά χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ρεύματος. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω μιας αντίστασης χαμηλής τιμής, παράγει μια διαφορά τάσης στην αντίσταση.

Ας πάρουμε ένα παράδειγμα.

Ας υποθέσουμε ότι το 1Α ρεύματος ρέει μέσω αντίστασης 1 ωμ. Σύμφωνα με το νόμο του ohm, η τάση είναι ισοδύναμη με την τρέχουσα αντίσταση x. Επομένως, όταν 1Α ρεύματος ρέει μέσω αντίστασης 1-ωμ, θα παράγει 1V κατά μήκος της αντίστασης. Η ισχύς της αντίστασης είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης πολύ μικρές αντιστάσεις αξίας στην αγορά, όπου η αντίσταση βρίσκεται στο εύρος mili-ohms. Σε μια τέτοια περίπτωση, η διαφορά τάσης στην αντίσταση είναι επίσης πολύ μικρή. Απαιτείται ενισχυτής υψηλού κέρδους για την αύξηση του πλάτους της τάσης και τέλος, το ρεύμα μετριέται χρησιμοποιώντας την αντίστροφη βάση υπολογισμού.

Μια εναλλακτική προσέγγιση για αυτόν τον τύπο τρέχουσας τεχνικής ανίχνευσης είναι να χρησιμοποιήσετε το ίχνος PCB ως αντίσταση διακλάδωσης. Δεδομένου ότι το ίχνος χαλκού ενός PCB προσφέρει πολύ μικρή αντίσταση, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει το ίχνος για τη μέτρηση του ρεύματος. Ωστόσο, σε μια τέτοια εναλλακτική προσέγγιση, πολλές εξαρτήσεις αποτελούν επίσης τεράστια μέριμνα για την επίτευξη ενός ακριβούς αποτελέσματος. Ο κύριος παράγοντας που αλλάζει το παιχνίδι είναι η αλλαγή θερμοκρασίας. Ανάλογα με τη θερμοκρασία, η αντοχή στο ίχνος αλλάζει με αποτέλεσμα ένα σφάλμα. Κάποιος πρέπει να αντισταθμίσει αυτό το σφάλμα στην εφαρμογή.

Πλεονεκτήματα:

1. Πολύ αποδοτική λύση
2. Μπορεί να λειτουργήσει σε AC και DC.
3. Δεν απαιτείται πρόσθετος εξοπλισμός.

Μειονεκτήματα:

1. Δεν είναι κατάλληλο για λειτουργία υψηλότερου ρεύματος λόγω απαγωγής θερμότητας.
2. Η μέτρηση διακλάδωσης παρέχει μια περιττή μείωση της αποδοτικότητας του συστήματος λόγω της σπατάλης ενέργειας κατά μήκος της αντίστασης.
3. Η θερμική μετατόπιση παρέχει αποτέλεσμα σφάλματος σε εφαρμογή υψηλής θερμοκρασίας.

Η εφαρμογή της αντίστασης Shunt περιλαμβάνει ψηφιακό μετρητή ενισχυτή. Αυτή είναι μια ακριβής και φθηνότερη μέθοδος εκτός από τον αισθητήρα Hall Effect. Η αντίσταση διακλάδωσης μπορεί επίσης να παρέχει μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης και επιτρέπει σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει το ένα σημείο στο άλλο σημείο σε ένα κύκλωμα.

Πώς να επιλέξετε τη σωστή μέθοδο τρέχουσας ανίχνευσης;

Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου για την τρέχουσα ανίχνευση δεν είναι δύσκολο. Υπάρχουν λίγοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιλογή της σωστής μεθόδου, όπως:

1. Πόση ακρίβεια απαιτείται;
2. Μέτρηση DC ή AC ή και τα δύο;
3. Πόση κατανάλωση ενέργειας απαιτείται;
4. Ποιο είναι το τρέχον εύρος και εύρος ζώνης προς μέτρηση;
5. Κοστολόγηση.

Εκτός από αυτά, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η αποδεκτή ευαισθησία και η απόρριψη παρεμβολών. Δεδομένου ότι κάθε παράγοντας δεν μπορεί να ικανοποιηθεί, ορισμένες αντισταθμίσεις γίνονται για να διακυβεύσουν το ένα χαρακτηριστικό με το άλλο ανάλογα με την προτεραιότητα της απαίτησης εφαρμογής.