Nåværende sensorteknikker ved bruk av forskjellige strømfølere

Strøm er en veldig kritisk faktor innen elektronikk eller elektroteknikk. I elektronikk kan strøm ha en båndbredde fra få nano-ampere til hundrevis av ampere. Dette området kan være mye bredere innen elektrisk domene, vanligvis til flere tusen ampere, spesielt i kraftnett. Det er forskjellige metoder for å registrere og måle strøm inne i en krets eller en leder. I denne artikkelen vil vi diskutere hvordan man kan måle strøm ved hjelp av forskjellige nåværende sensingsteknikker med fordeler, ulemper og applikasjoner.

Hall Effect Sensor Current Sensing Method

Hall Effect blir oppdaget av den amerikanske fysikeren Edwin Herbert Hall og kan brukes til å ane strømmen. Den brukes vanligvis til å oppdage magnetfelt og kan være nyttig i mange applikasjoner som hastighetsmåler, døralarm, DIY BLDC.

Hall Effect-sensor produserer en utgangsspenning avhengig av magnetfeltet. Forholdet mellom utgangsspenningen er proporsjonal med magnetfeltet. Under den nåværende sensorprosessen måles strømmen ved å måle magnetfeltet. Utgangsspenningen er veldig lav og må forsterkes til en nyttig verdi ved hjelp av en forsterkningsforsterker med veldig lav støy. Bortsett fra forsterkerkrets, krever Hall Effect-sensor ekstra kretser, da det er en lineær svinger.

Fordeler:

1. Kan brukes i høyere frekvens.
2. Kan brukes i både AC og DC nøyaktig.
3. Ikke-kontaktbasert metode.
4. Kan brukes i grove omgivelser.
5. Det er pålitelig.

Ulemper:

1. Sensoren driver og krever kompensasjon.
2. Ekstra krets krever nyttig utgang.
3. Dyrt enn shuntbasert teknikk.

Hall Effect-sensorer brukes i klemmemåler så vel som i mange strøm- og applikasjonsapplikasjoner for industri og bil. Mange typer lineær Hall-effektsensor kan registrere strøm fra flere mil-ampere til tusenvis av ampere. På grunn av dette bruker Smart Grid Monitoring Application også en annen type Hall-effektsensor for å overvåke lederstrømmen.

Flux Gate Sensor Current Sensing Method

En metningsbar induktor er hovedkomponenten for Fluxgate sensing-teknikken. På grunn av dette kalles Fluxgate-sensor som mettbar induktorstrømssensor. Induktorkjernen som brukes til fluxgate-sensoren fungerer i metningsområdet. Metningsnivået til denne induktoren er svært følsom, og enhver intern eller ekstern flytdensitet endrer metningsnivået til induktoren. Kjernens permeabilitet er direkte proporsjonal med metningsnivået, derfor endres induktansen også. Denne endringen i induktorverdien analyseres av sensoren for flussporten for å registrere strømmen. Hvis strømmen er høy, blir induktansen lavere, hvis strømmen er lav, blir induktansen høy.

Hall Effect-sensoren fungerer på samme måte som fluxgate-sensoren, men det er en forskjell mellom dem. Forskjellen ligger i kjernematerialet. Flux Gate-sensor bruker en metningsbar induktor, men Hall Effect-sensoren bruker luftkjerne.

På bildet ovenfor vises den grunnleggende konstruksjonen til en flussportføler. Det er to primære og sekundære spoler viklet rundt en mettende induktorkjerne. Endringene i strømmen kan endre kjernens permeabilitet som resulterer i endring av induktans over den andre spolen.

Fordeler:

1. Kan måle i et bredt spekter av frekvenser.
2. Har stor nøyaktighet.
3. Lav forskyvning og drift.

Ulemper:

1. Høyt sekundært strømforbruk
2. En risikofaktor øker for spennings- eller strømstøy i primærlederen.
3. Bare egnet for DC eller lavfrekvent AC.

Fluxgate-sensorer brukes i Solar Inverters for å registrere strømmen. Annet enn dette, kan måling av lukket vekselstrøm og likestrøm enkelt gjøres ved hjelp av Flux Gate-sensorer. Flux Gate nåværende sensormetode kan også brukes i måling av lekkasjestrøm, deteksjon av overstrøm etc.

Rogowski Coil Current Sensing Method

Rogowski-spolen er oppkalt etter den tyske fysikeren Walter Rogowski. Rogowski-spolen er laget med en spiralformet luftkjernespole og viklet rundt den målrettede lederen for strømmåling.

På bildet ovenfor er Rogowski-spolen vist med ekstra kretsløp. Tilleggskretsene er en integratorkrets. Rogowski-spolen gir utgangsspenning avhengig av strømendringens hastighet i lederen. Det kreves en ekstra integratorkrets for å lage en utgangsspenning som er proporsjonal med strømmen.

Fordeler:

1. Det er en god metode for å oppdage rask høyfrekvent strømendring.
2. Sikker drift når det gjelder håndtering av sekundærviklingen.
3. Lavpris-løsning.
4. Fleksibilitet i håndtering på grunn av åpen sløyfekonstruksjon.
5. Temperaturkompensasjon er ikke kompleks.

Ulemper:

1. Bare egnet for AC
2. Har lav følsomhet enn den nåværende transformatoren.

Rogowski-spolen har et bredt spekter av applikasjoner. For eksempel måling av strøm i store kraftmoduler, spesielt på tvers av MOSFETer eller høyeffekttransistorer eller over IGBT. Rogowski-spiral gir fleksibelt målealternativ. Ettersom Rogowski-spolresponsen er veldig rask over transienter eller høyfrekvente sinusformede bølger, er det et godt valg å måle høyfrekvente strømtransienter i kraftlinjene. I kraftfordeling eller i smart grid gir Rogowski-spolen utmerket fleksibilitet for strømmålinger.

Current Transformer Current Sensing Method

Strømtransformator eller CT brukes til å registrere strømmen ved sekundær spenning som er proporsjonal med strømmen i sekundærspolen. Det er en industriell transformator som konverterer den store verdien av spenning eller strøm til en mye mindre verdi i sekundærspolen. Målingen blir tatt over sekundærutgangen.

På bildet ovenfor er konstruksjonen vist. Det er en ideell CT-transformator med et primært og sekundært forhold som 1: N. N avhenger av spesifikasjonene til transformatoren. Lær mer om transformatorer her.

Fordeler:

1. Stor strømhåndteringskapasitet, mer enn de andre metodene vist i denne artikkelen.
2. Ikke behov for ekstra kretsløp.

Ulemper:

1. Krever vedlikehold.
2. Hysterese oppstår på grunn av magnetisering.
3. Høy primærstrøm metter ferritkjernematerialene.

Hovedbruken av CT-transformatorbasert strømdeteksjonsteknikk er i strømnettet på grunn av svært høy strømmålingskapasitet. Få klemmemålere bruker også en strømtransformator for måling av vekselstrøm.

Shunt Resistor Current Sensing Method

Dette er den mest brukte metoden i dagens sensing teknikker. Denne teknikken er basert på Ohms lov.

En motstand med lav verdi i serie brukes til å registrere strømmen. Når strømmen strømmer gjennom en motstand med lav verdi, produserer den en spenningsforskjell over motstanden.

La oss ta et eksempel.

Anta at 1A strøm strømmer gjennom en 1 ohm motstand. I henhold til ohms lov tilsvarer spenningen strøm x motstand. Derfor, når 1A strøm strømmer gjennom en 1 ohm motstand, vil den produsere 1V over motstanden. Motstandens effekt er en kritisk faktor som skal vurderes. Imidlertid er det motstander med veldig liten verdi også tilgjengelig i markedet, hvor motstanden er i miliohm-området. I et slikt tilfelle er spenningsforskjellen over motstanden også veldig liten. En forsterker med høy forsterkning er nødvendig for å øke spenningens amplitude, og til slutt måles strømmen ved hjelp av omvendt beregningsgrunnlag.

En alternativ tilnærming for denne typen nåværende sensingsteknikk er å bruke PCB-spor som shuntmotstand. Siden kobbersporene til et PCB gir svært liten motstand, kan man bruke sporet til å måle strømmen. Imidlertid, i en slik alternativ tilnærming, er flere avhengigheter også en stor bekymring for å få et nøyaktig resultat. Den viktigste spillendrende faktoren er temperaturdrift. Avhengig av temperaturen blir sporemotstanden endret, noe som resulterer i et feilresultat. Man må kompensere for denne feilen i applikasjonen.

Fordeler:

1. Svært kostnadseffektiv løsning
2. Kan fungere i AC og DC.
3. Tilleggsutstyr ikke nødvendig.

Ulemper:

1. Ikke egnet for høyere strømdrift på grunn av varmespredning.
2. Shuntmåling gir en unødvendig reduksjon i systemeffektivitet på grunn av energisvinnet over motstanden.
3. Termisk drift gir feilresultat i en applikasjon med høy temperatur.

Anvendelsen av Shunt-motstand inkluderer digital forsterker. Dette er en nøyaktig og billigere metode enn Hall Effect-sensoren. Shuntmotstanden kan også gi en lav motstandsbane og tillater en elektrisk strøm å passere ett punkt til det andre punktet i en krets.

Hvordan velge riktig strømfølermetode?

Å velge riktig metode for nåværende sensing er ikke en vanskelig ting. Det er få faktorer som må vurderes for å velge riktig metode, som:

1. Hvor mye nøyaktighet er nødvendig?
2. DC- eller AC-måling eller begge deler?
3. Hvor mye strømforbruk kreves?
4. Hva er nåværende område og båndbredde som skal måles?
5. Kostnad.

Annet enn disse, må akseptabel følsomhet og avvisning av interferens også vurderes. Siden hver faktor ikke kan oppfylles, blir noen kompromisser laget for å kompromittere en funksjon med den andre, avhengig av applikasjonskravets prioritet.