wersja mobilna
Online: 434 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Nowe czujniki i układy scalone ułatwiają pomiar natężenia prądu

wtorek, 08 maja 2007 09:45

Dążenie do zwiększania sprawności systemu energetycznego na wszystkich poziomach wywołuje szybki wzrost zainteresowania dokładnymi pomiarami natężenia prądu. Projektanci mogą teraz wybierać z pośród oszałamiającej różnorodności podzespołów i rozmaitych technik pomiarowych, których wpływ na mierzone obwody jest minimalny.

Obszar, gdzie trzeba dokonywać pomiaru prądu obejmuje wszystkie dziedziny techniki, od maleńkiego bateryjnego czujnika ciśnienia w oponach, po turbiny wiatrowe. Natura współczesnej elektroniki i nieustanne dążenie do poprawienia sprawności energetycznej czynią pomiary prądu jednym z głównych tematów projektanta.

Znajdujące się u dołu tej skali wszelkiego rodzaju przenośne przyrządy elektroniczne wymagają nieustannego ulepszania sposobu gospodarowania zasobami energii, w celu przedłużenia czasu działania przyrządu i zaoferowania użytkownikowi większej liczby jego funkcji. U góry skali, na poziomie krajowych sieci energetycznych, szybkie, dokładne i wytrzymałe czujniki są niezbędne do działania pętli sprzężenia zwrotnego, utrzymujących równowagę pomiędzy mocą generatorów, a nieustannie zmieniającym się zapotrzebowaniem sieci. Pomiędzy tymi skrajnościami mieści się większość aplikacji, rozciągających się od gospodarowania energią elektryczną w samochodzie, przez elektroniczne urządzenia AGD, do sterowania procesami produkcyjnymi. W każdej z tych dziedzin kluczowym wymaganiem są dokładne pomiaru prądu, które są zaspokajane przez producentów szeroką ofertą wyspecjalizowanych układów scalonych i przetworników. Oddzielną dziedziną stały się pomiary domowego zużycia energii, obejmujące tanie pomiary napięcia i natężenia prądu w niesprzyjających warunkach.

Niezależnie od mocy pomiary prądu niemal zawsze łączą się z układami logicznymi interfejsów, takimi jak przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC). Chociaż często uważa się, że pomiar napięcia, w przeciwieństwie do pomiaru prądu, to łatwizna, to współczesne układy scalone i przetworniki równie łatwo jak napięcie pozwalają mierzyć natężenie prądu, co jest istotne zwłaszcza wtedy, gdy zachodzi potrzeba izolacji od sieci zasilającej. Ale przed sięgnięciem do pomiarów mocy w obwodach napięcia przemiennego warto zatrzymać się nad pomiarami w obwodach stałoprądowych i różnymi sposobami ułatwiającymi pracę projektanta. Zasady rządzące pomiarami w obu obszarach różnią się bowiem mało, jeśli nie wcale. Oczywiście w aplikacjach bateryjnych do sygnalizacji stanu układu już od dawna używa się pomiarów zużycia energii. Klasycznym przykładem postępu w kontroli i zarządzaniu energią elektryczną jest samochód. Dawno minęły czasy, gdy w każdym samochodzie był woltomierz i amperomierz, ostrzegające kierowcę o zbliżających się kłopotach, teraz nie musi on o tym myśleć. Jednakże znacznie ważniejsza jest dbałość o zasilanie w kontekście przenośnych elektronicznych urządzeń konsumenckich.

Chociaż w terminalach baterii wielkiej liczby urządzeń przenośnych, w celu określenia czasu pozostałego do rozpoczęcia niezbędnego ładowania, używa się układów mierzących napięcie, to korzystanie z impulsowego charakteru obciążenia, jak np. z flesza w cyfrowym aparacie foto, do zarządzania zasobami ładunku i optymalizowania działania urządzenia wymusza pomiary nie napięcia, tylko zużytej energii. Mikrokontroler może na przykład powstrzymać uruchomienie flesza, jeżeli pozostały w baterii ładunek nie mógłby potem zapewnić kontynuacji działania aparatu. Pomiary napięcia ogniwa są bardzo grubo przybliżonym narzędziem oceny pozostającego w nim ładunku. Zależność napięcia od ładunku w ogniwie zmienia się w miarę jego starzenia się, dlatego technika tzw. zliczania kulombów zyskuje coraz większe uznanie. W tej technice mierzone natężenie prądu i napięcie w odpowiedni sposób zwiększają (ładowanie) lub zmniejszają (rozładowywanie) stan licznika czasu, którego maksymalna wielkość reprezentuje pojemność baterii. Na przykład zasilane z baterii układy TPMS (Tire Pressure Monitor Systems), przyrządy monitorujące ciśnienie w oponach, nie mają możliwości doładowania źródła energii, a od ich poprawnego działania zależy bezpieczeństwo pojazdu. W tym wypadku obwód monitorujący rozładowuje baterię z szybkością rzędu nanoamperów na sekundę. Układ pomiarowy okresowo przełącza się pomiędzy trybami gotowości i aktywnym, a o zbyt małym pozostałym w baterii ładunku informuje sygnał błędu.

Miniaturowe aplikacje, jak TPMS, wymagają układu ASIC, ale w mikrokontrolerze układu również łatwo da się zestawić licznik kulombów łącząc przetwornik A/C z zegarem. W układach bardziej skomplikowanych, jak inteligentne pakiety akumulatorowe, korzysta się z wyspecjalizowanych układów scalonych licznika ładunku, integrującego funkcje zarządzania zasilaniem peryferii. W takich chipach, jak nowy układ ATmega406 firmy Atmel, rdzeń mikrosterownika jest otoczony stabilizatorami napięć i obwodami pomocniczymi, w skład których wchodzą sterownik do ładowania akumulatora z tranzystorem FET i podwójny przetwornik A/C do monitorowania prądu i napięcia, tworzące razem samodzielny kontroler ładowarki pakietu akumulatorowego Li-jon. Wraz z 18-bitowym licznikiem kulombów o rozdzielczości 0,67mA, o zakresie ±30A i z bocznikiem prądowym 5mΩ, oraz pamięciami 40kB Flash, 2kB RAM i 512B EEPROM, układ ten znajduje zastosowanie w wielu aplikacjach.

Dokładność zabezpieczeń

Układy nadzorcze i kontrolne niemal bez wyjątku wymagają interfejsów, wiążących mierzone wielkości z masą systemu, stawiając projektantów przed stałym problemem, jak najlepiej sprowadzić odczytywane wartości prądu z czujnika znajdującego się pod napięciem, do poziomu powiązanego z masą i odpowiedniego dla standardowych układów logicznych. W tradycyjnej klasycznej technice, przydatnej dla czułych mikroamperomierzy magnetoelektrycznych, w powrotnej ścieżce zasilania wprowadza się rezystorowy czujnik prądu i mierzy powstający na nim spadek napięcia. Zaletą tego sposobu jest przeniesienie wyniku pomiaru w wysokonapięciowych układach zmiennoprądowych na potencjał masy, unikając wysokich napięć wspólnych i upraszczając ochronę przed stanami nieustalonymi – aczkolwiek bez możliwości wykrywania zwarć pomiędzy, na przykład, uzwojeniem silnika a jego korpusem. Dla interfejsu z układem logicznym masa przetwornika A/C powinna być związana z masą urządzenia, a „pływanie” wszystkich pozostałych obwodów na potencjale czujnika prądu, wywołuje problemy przesunięcia pomiędzy wielu obwodami. Utrudnia to także rozdzielenie prądów pobieranych przez poszczególne układy – w tym układ A/C – i wprowadza do płaszczyzny uziemienia niepożądane impedancje. Ponieważ czułość wejściowa przetwornika A/C jest znacznie mniejsza od typowego spadku napięcia 75mV pełnego wychylenia amperomierza, wzmacniacz przyrządowy, o małej wrażliwości na napięcia wspólne względem masy, musi wzmocnić napięcie czujnika do wymaganego poziomu.

Rys. 1. Scalone wzmacniacze różnicowe, zawierające ustalające wzmocnienie dzielniki rezystorowe, nadają się do zastosowań wysokonapięciowych (a). Wzmacniacze operacyjne rail-to-rail mają bardzo wysokie współczynniki tłumienia sygnału wspólnego i wpływu napięcia zasilania (b).

Trudności związane z pomiarami dokonywanymi na wyższych poziomach napięciowych układu dają się przezwyciężyć i takie rozwiązania praktycznie obowiązują w aplikacjach, w których ścieżki powrotne są w znacznej mierze wspólne, na przykład w samochodach. Problem sprowadza się do przeniesienia na poziom masy małego spadku napięcia na czujniku, związanym z potencjałem dodatniego napięcia zasilania. Zastosowanie do tego celu wzmacniacza naprawdę różnicowego lub wzmacniacza przyrządowego sprawdza się dobrze, ale dla uzyskania dobrego współczynnika tłumienia napięcia wspólnego (CMRR) i właściwego wzmocnienia, jest konieczne staranne dobranie dzielników rezystorowych (rys. 1a). Na przykład niezrównoważenie któregokolwiek z dzielników o 0,1% obniża CMRR do 66dB.

Układy MAX198 i MAX199, o wzmocnieniu odpowiednio 1 i 10, zawierają te rezystory i pozwalają osiągnąć dokładność lepszą od 0,01% z CMRR wyższym od 110dB. Mogą one być dostarczone w firmowej miniaturowej obudowie μMAX o ośmiu wyprowadzeniach. Firma oferuje także szereg układów z czujnikami prądu. Również Analog Devices dostarcza wzmacniacze przyrządowe o dużym CMRR w swojej serii wzmacniaczy prądowo-czujnikowych. Na przykład AD8205, o maksymalnym napięciu zasilania 65V, nadaje się do monitorowania samochodowej PowerNet 42V. Jego elastyczne połączenia z wewnętrznymi rezystorami dzielnika ułatwia przesuwanie i skalowanie napięcia wyjściowego, dostosowując je do pomiarów bipolarnych i unipolarnych. Układ w 8-wyprowadzeniowej obudowie SOIC przystosowany jest do pracy w temperaturze od –40º do +125º.

Rozwiązanie ze wzmacniaczem różnicowym również nadaje się do układów o wyższym napięciu. Na przykład układ Linear Technology LT1990, o ustalanym z zewnątrz wzmocnieniu 1 lub 10, przy zasilaniu ±15V wytrzymuje napięcia wspólne do ±250V. Jest on oprócz tego zabezpieczony różnicowo przed przepięciami ±350V lub ±500V, dzięki czemu nadaje się do zastosowań przemysłowych. Jego CMRR wynosi minimum 70dB a maksymalny błąd wzmocnienia 0,28%. Jest dostarczany w obudowie SO8. LT1991, z tej samej serii, jest dokładniejszy, działa przy napięciach wejściowych do ±60V. Zawiera 8 dokładnie dobranych rezystorów krzemowo-chromowych, pozwalających ustalać wzmocnienie od –13 do +14 z błędem nie większym od 0,04%, przy CMRR 75dB. Jego wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 15μV, a wejściowy prąd upływu 3nA. Może być zasilany napięciem od pojedynczego 2,7V do ±18V, przy minimalnym poborze prądu 100μA, zachowując iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma 560kHz i wzmocnienie równe jedności przy -3dB do 110kHz. Jest dostarczany w 10-wyprowadzeniowej obudowie MSOP lub bezwyprowadzeniowej DFN o powierzchni 3mm².

Innym sposobem użycia wzmacniacza różnicowego jest zastosowanie wzmacniacza operacyjnego o wejściu typu rail-to-rail, który bezpośrednio może wzmacniać napięcie czujnika (rys. 1b). Przy użyciu p-kanałowego MOSFET-a T1, działającego jako źródło prądowe, ujemne sprzężenie zwrotne przenosi spadek napięcia z czujnika rezystancyjnego na R1. Prąd w R1 płynie więc do masy przez R2, upraszczając odniesienie do masy i skalowanie napięcia wyjściowego. W tym przypadku CMRR zależy jedynie od właściwości wzmacniacza operacyjnego, a napięcie wyjściowe jest odniesione bezpośrednio do masy. Ale wzmacniacz operacyjny rail-to-rail należy wybierać z rozwagą, ponieważ bywają one nieliniowe w pobliżu skrajnych wartości napięć, gdy odcinane są tranzystory pracujące w środku zakresu, a pracę podejmują tranzystory zakresów skrajnych. Albo należy wybrać taki, jak LTC6101, nowy układ Linear Technology do pomiarów z bocznikiem rezystorowym. W tym układzie całkowicie wykonanym w technologii CMOS znajduje się wzmacniacz operacyjny i FET, których PSRR (współczynnik tłumienia wpływu napięcia zasilającego) wynosi co najmniej 110dB. Przy maksymalnym wejściowym napięciu niezrównoważenia 450μV i wejściowym prądzie upływu 170nA w temperaturze pokojowej układ jest przydatny dla napięć czujnika do 500mV przy zasilaniu od 4V do 60V. Czas jego reakcji mieści się w granicach 1μs.

Układ ten można zasilać zarówno od strony baterii, jak i od strony obciążenia, gdy mierzy również swój własny pobór, około 250μA przy 14V zasilania. W praktyce, używając 0,1-procentowe rezystory ustalające wzmocnienie, łatwo można osiągnąć dokładność lepszą od 1%, ponieważ błąd całkowity zależy głównie od rezystorów. Układ LTC6101 montowany jest w 5-wyprowadzeniowej obudowie SOT-23 o profilu 1mm.

Rys. 2. Układ scalony LT1787 firmy Linear Technology zawiera precyzyjne zwierciadło prądowe, dopasowujące sygnał wyjściowy do 12-bitowego przetwornika A/C.

Do bardziej dokładnych pomiarów Linear Technology oferuje LT1787. Ten układ w 8-wyprowadzeniowej obudowie o wejściowym napięciu niezrównoważenia 40μV umożliwia działanie 12-bitowego przetwornika A/C z napięciem czujnika 250mV. Układ może być zasilany napięciem z zakresu od 2,5V do 36V, a z przyrostkiem HV w oznaczeniu chipu nawet do 60V. Pobiera około 60μA prądu zasilania, a jego PSRR wynosi 120dB. Dwa doprowadzenia, FIL+ i FIL–, pozwalają wprowadzić dodatkową filtrację sygnałów różnicowego i wspólnego przez dołączenie kondensatora w połowie dzielnika wejściowego układu (rys. 2). W czasie działania wzmacniacz operacyjny zmniejsza do zera różnicę napięć pomiędzy swoimi wejściami, odwracającym i nieodwracającym, więc prądy płynące w rezystorach wejściowych płyną także w T1 i T2. Zwierciadło prądowe sumuje te prądy i przetwarza je w pojedynczy sygnał ze wzmocnieniem od wejścia do wyjścia równym 8. Wyprowadzenie BIAS dostarcza napięcia odniesienia dla sygnału wyjściowego, i zazwyczaj jest łączone z napięciem odniesienia układu A/C. Połączenie to zapewnia, że rezystorowy przetwornik (ROUT) prądu na napięcie podąża za zmianami w zależności od czasu i temperatury napięcia odniesienia przetwornika A/C. Dodatnie prądy przekładają się na dodatnie względem napięcia odniesienia napięcie wyjściowe, a ujemne prądy na napięcia ujemne. Układ w obudowie SOIC zarówno na przemysłowy jak i motoryzacyjny zakres temperatur.

Rys. 3. Dobrane pary tranzystorów tworzą proste zwierciadło prądowe, odzwierciedlające w połączonym z masą obwodzie niewielką część prądu obciążenia.

W opcji, która nadaje się zresztą do wielu aplikacji, wykorzystuje się zwierciadło prądowe, utworzone z dobranych par tranzystorów, które odzwierciedla maleńką część prądu obciążenia, płynącego do masy. W układzie pierwszej generacji ZDS1009 firmy Zetex Semiconductor napięcie na czujniku rezystorowym R2 wymusza w R1 prąd równoważący (rys. 3). Jeżeli R3 jest równy R4, napięcie wyjściowe będzie równe IR2·R4/R1, co ułatwia skalowanie odniesionego do masy napięcia wyjściowego do wielkości odpowiedniej dla układu konwersji A/C. Obecnie w układach serii ZXCT firmy Zetex do ustalania wzmocnienia używa się pojedynczego rezystora zewnętrznego. Dokładność tych układów wynosi 1% przy napięciu czujnika 100mV i napięciu zasilania od 2,5 do 20V. Układy są oferowane w 3- lub 5-wyprowadzeniowej obudowie SOT-23. Wersje 5-wyprowdzaniowe charakteryzują się większą dokładnością, przez użycie osobnego wyprowadzenia masy dla prądu spoczynkowego układu, wynoszącego zwykle 4μA dla takich wersji jak ZXCT1009, zoptymalizowanych dla 100mV napięcia czujnika. W innych wersjach napięcie to może wynosić od 10mV do 2,5V.

Z kolei wersje 3-wyprowadzeniowe są bardziej elastyczne w projektowaniu, dzięki pływającym wyjściom. Projektant może więc dowolnie przystosować poziom zasilania przez proste dodanie odpowiedniej diody Zenera pomiędzy wyjście układu a rezystor skalujący, który łączy się z masą. W zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych dioda Zenera pomiędzy zasilaniem a wyprowadzeniem wyjściowego sygnału prądowego, chroni układ przed przepięciami, powstającymi na przekaźnikach i cewkach. W trakcie przepięcia dioda Zenera przewodzi, utrzymując na układzie napięcie bezpieczne. Zwierciadło prądowe układu oznacza, że jego tranzystory, jeśli zostaną poddane dostatecznie wysokiej polaryzacji zaporowej, będą spolaryzowane w kierunku przewodzenia, ale dioda Zenera zapewnia poziomowanie diodowe, odprowadzające prąd z układu scalonego. Możliwe jest połączenie dwóch układów „plecami” i stworzenie dwukierunkowego układu pomiarowego.

Inni producenci specjalizowanych układów scalonych, upraszczających pomiary prądu stałego z czujnikiem na wyższym poziomie napięciowym, to Ixys, National Semiconductor i Texas Instruments. Firma Ixys dopiero ostatnio weszła na ten sektor rynku. Jej produkt, IXI848, w 8-wyprowadzeniowej obudowie SOIC, może być zasilany napięciem od 2,7V do 40V. Jest przystosowany do pracy z sygnałem czujnika 150mV, a jego dokładność wynosi 0,7% przy pełnym wysterowaniu. Wzmocnienie 10 lub 50 ustala się z zewnątrz wyborem precyzyjnych rezystorów wewnętrznych, dostosowując układ do zewnętrznych czujników rezystorowych. Napięcie wyjściowe jest brane ze źródła prądowego o rezystancji 33kΩ przy wzmocnieniu 10 i 165kΩ przy wzmocnieniu 50, wymaga zatem buforowania.

Układ LM3814 firmy National Semiconductor jest w tym niezwykły, że zawiera modulator delta-sigma, dostarczający przebiegu PWM (z modulowaną szerokością impulsów) o środkowej częstotliwości 160Hz i rozdzielczości 0,8%, nadaje się więc do bezpośredniego połączenia z mikrokontrolerem. Zawiera także czujniki rezystorowe, zapewniające pełne zakresy do +1A (wsp. wypełnienia 95,5%) i do –1A (wsp. wypełnienia 4,5%).

Texas Instruments, odzwierciedlając dziedzictwo Burr-Brown, oferuje unipolarne monitory prądu INA138 i INA168 w 5-wyprowadzeniowych obudowach SOT-23, zasilane napięciem od 2,7V do 36V lub 60V odpowiednio. Układy te o wyjściu prądowym, z możliwością skalowania sygnału wyjściowego za pośrednictwem jednego rezystora, kosztują około dolara. Firma oferuje także szereg podobnych monitorów do zastosowań motoryzacyjnych, jak INA169, a także nową serię układów z wyjściem napięciowym, INA193/INA198, tolerujących na wejściu napięcia wspólne od -16V do +80V, o stałych przełożeniach 20, 50 i 100V/V, do pracy z zewnętrznymi czujnikami prądowymi. Układy te w 5-wyprowadzeniowych obudowach SOT-23 zasilane są napięciem 2,7V do 13,5V, działają w temperaturze od –40ºC do +125ºC.

Czujniki z FET do przełączania prądu

Innym podejściem do pomiarów natężenia prądu w obwodach jest użycie struktury FET-a z małym czujnikiem prądowym w tym samym chipie co główny przełącznik mocy, tworząc w ten sposób tzw. czujnik FET-owy. W tym rozwiązaniu geometryczne dostosowanie przełącznika mocy do elementu czujnikowego również odzwierciedla niewielki ułamek prądu obciążenia w wyprowadzeniu czujnika, tworząc na rezystorze połączonym z masą spadek napięcia połączony z masą. Przeznaczony do układów przełączających n-kanałowy MOSFET firmy International Rectifier operuje prądami do 50A i napięciami do 500V z przeciętną dokładnością ±2,5%. Układ IRCZ44PBF o napięciu zasilania 60V, ma rezystancję przewodzenia 0,028Ω, co – przy odpowiednim odbiorze ciepła – pozwala przełączać 50A w obudowie TO-220. Dostarcza sygnału prądowego w stosunku 1:2460 do 1:2720 w odniesieniu do przenoszonego prądu. Przyłączenie wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego do uziemionego wyprowadzenia układu, a wejścia odwracającego do wyprowadzenie czujnika, pozwala dowolnie skalować sygnał wyjściowy za pomocą pojedynczego rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza.

Rys. 4. Czujniki z FET-em w przełącznikach mocy firmy Infineon, zawierających zwierciadło prądowe, odzwierciedlają w połączonym z masą obwodzie niewielką część prądu obciążenia.

Seria ProFET inteligentnych przełączników mocy firmy Infineon Technologies cechuje się podobnymi możliwościami prądowymi (rys. 4). Tranzystor przewodzący prąd obciążenia tego przełącznika składa się z około 50 000 komórek, a czujnikowy z około 10. Wzmacniacz operacyjny i p-kanałowy FET utrzymują potencjał tranzystora mocy równy potencjałowi tranzystora czujnikowego i proporcjonalnie odzwierciedlają prąd do masy. Prąd ten jest niemal dokładnie równy prądowi obciążenia podzielonemu przez stosunek liczby komórek tranzystora obciążenia do liczby komórek tranzystora czujnikowego. Te n-kanałowe układy przełączające na poziomie wyższego napięcia, zbudowane w technologii chip-on-chip, zawierają także sterowniki z pompą ładunku i szereg obwodów ochronnych oraz diagnostycznych. Układy tej serii są przeznaczone do użytku motoryzacyjnego i przemysłowego, mogą przełączać prąd 17 do 165A i są montowane w różnych obudowach, od TO-252 do montażu powierzchniowego do TO-220 i TO218 do przewlekanego. Układ do największego natężenia, BTS555 ma rezystancję przewodzenia tylko 2,5mΩ, a graniczny wewnętrzny prąd zwarciowy 520A. Przy użyciu układu w funkcji czujnika prądowego tak dużego natężenia, aby móc wykorzystać jego ekstremalnie małe straty przełączania, należałoby obniżyć graniczne właściwości zwarciowe obwodu zewnętrznego.

Układy scalone do pomiarów zmienno- i stałoprądowych

Tradycyjna nieinwazyjna metoda pomiaru natężenia prądu przemiennego, opierająca się na transformatorach prądowych, pozostaje nadal w użyciu w pomiarach precyzyjnych. Przewód prądowy przechodzi przez rdzeń transformatora prądowego, tworząc jednozwojowe uzwojenie pierwotne. Zwiększenie liczby zwojów na rdzeniu zwiększa stosunek liczby zwojów pierwotnych do wtórnych, i zwiększa czułość pomiaru. Przy starannym zaprojektowaniu i zastosowaniu skompensowanych częstotliwościowo rezystorów obciążenia, technika ta w codziennych pomiarach za pomocą mierników laboratoryjnych bez trudu osiąga dokładność lepszą niż ±0,5%. A z pomocą specjalnych przyrządów szerokopasmowych, jak oscyloskopowa sonda prądowa CT6 firmy Tektronix, pomiarów można dokonywać aż do częstotliwości 2GHz. Zwykłe pomiary laboratoryjne obejmują pomiary głównego prądu terminalowego triaków w czasie ich przewodzenia, gdy sygnał wyjściowy transformatora może wysterować wejście z rezystancją 50Ω, a w drugim kanale mierzy się napięcie wyzwalające. Aplikacja ta w pomijalnym stopniu obciąża mierzony obwód i nie wymaga zasilania. Ponieważ jednak stosowany jest transformator, i chociaż pasmo przenoszenia rozpoczyna się sporo poniżej częstotliwości sieci, to pomiary składowej stałej prądu nie są możliwe.

Liczne trudności w paśmie od zera do 100kHz, wymaganego przez większość przemysłowych aplikacji kontrolnych, dają się przezwyciężyć za pomocą przetworników prądu z czujnikiem Halla. Wytwórcy tych układów, jak Honeywell, LEM, czy Sentron, oferują czujniki z zakresem od amperów do kiloamperów dla układów logicznych nadzoru i sterowania takich urządzeń jak turbiny wiatrowe. Początkowo z powodu samej natury półprzewodników z efektem Halla układy te cierpiały na małą czułość i spory dryf temperaturowy, a także konieczność korzystania z napięć ±12V lub ±15V do zasilania obwodów kondycjonowania sygnału. Współczesne układy ASIC zawierają często wzmacniacz operacyjny z przetwarzaniem kondycjonujący sygnał wyjściowy układu Halla wewnątrz pętli sprzężenia zwrotnego. Wpływ temperatury zostaje w ten sposób obniżony o rząd wielkości lub więcej, a stabilny ilorazowy napięciowy sygnał wyjściowy, o średniej wielkości napięcia wyjściowego równej połowie napięcia zasilającego, zwykle 5V, pozwala tworzyć prosty interfejs z przetwornikiem A/C. Do poprawienia czułości stosuje się zwykle koncentratory pola magnetycznego, pomiędzy którymi, w szczelinie toroidalnego rdzenia magnetycznego, umieszcza się układ Halla.

Przykładowymi tego rodzaju układami są jednobiegunowe przetworniki z zamkniętą pętlą prądową, serii LTS firmy LEM, zasilane napięciem 5V. Układy te są przeznaczone dla nominalnego prądu wejściowego ±6A, ±15A i ±25A, i służą do pomiarów przy częstotliwości od zera do 100kHz (-0,5dB) lub 200kHz (-1dB). Ważą one 10g i mieszczą się w zwykłej obudowie do montażu przewlekanego, 22mm x 10mm. Sześć wyprowadzeń umożliwia połączenia szeregowe i równoległe trzech wewnętrznych cewek zespołu. W ten sposób każdy układ pozwala za pośrednictwem wyprowadzeń na ich konfigurowanie do 1, 2 i 3-krotnie większej czułości od nominalnej. W każdym przypadku napięcie wyjściowe wynosi wtedy 2,5V ±0,625V i jest liniowe z dokładnością 0,1% do 0,5V od skrajnych poziomów zasilania. Konfiguracja taka pozwala, na przykład, za pomocą wersji układu o najwyższej czułości, LTS 6-NP, mierzyć prąd w zakresie od 0 do ±19,2A. W centrum rdzenia tego układu jest otwór, przeprowadzając przez który pojedynczy przewód, można przy wzmocnieniu równym jedności dokonywać pomiarów różnicowych. Układy innej serii tego wytwórcy charakteryzują się wyjściem prądowym, nadającym się na przykład do pętli prądowych od 4 do 20mA w przyrządach przemysłowych. Zdolność do pomiarów dwukierunkowych pozwala na dokonywanie izolowanych pomiarów w wysokoprądowych pakietach akumulatorowych.

Rys. 5. W czujnikach prądu firmy Allegro z detektorem Halla prąd obciążenia przepływa wewnątrz obudowy, co zwiększa czułość, gwarantując równocześnie dobrą izolację.

Pośród innych uniwersalnych układów, nadających się specjalnie do aplikacji motoryzacyjnych i przemysłowych, można znaleźć czujniki prądowe firmy Allegro serii ACS. Jednym z ostatnich uzupełnień tej rosnącej serii układów z czujnikiem Halla, obejmującej zakres od ±5A do ±200A, jest ACS754-050, na zakres ±50A. Podobnie jak pozostałe układy serii, te bezołowiowe czujniki zasilane napięciem 5V, zastępują czujniki rezystorowe, redukując równocześnie o dwa do trzech rzędów wielkości rezystancję, spadek napięcia i rozpraszane ciepło. Rozwiązanie to spowodowało powstanie obudowy nowej konstrukcji dla układów wysokoprądowych. Obudowa ta przypomina konwencjonalny układ o trzech wyprowadzeniach, z dodatkiem dwóch sporych „skrzydełek” wyprowadzających ciepło z obudowy z minimalną tłumiennością wtrąceniową. Rezystancja wewnętrzna czujnika wynosi tylko 100μΩ. Wyjściowy ilorazowy sygnał napięciowy otrzymuje się z stabilizowanego, wykonanego w technologii biCMOS, układu scalonego z efektem Halla, który jest trymowany w trakcie produkcji w celu zminimalizowania błędów wzmocnienia i niezrównoważenia (rys. 5). W rezultacie całkowity błąd sygnału wyjściowego nie przekracza ±1% przy 25ºC, a utrzymuje się w granicach ±5% w temperaturze od -20ºC do +85ºC, oraz ±10% w motoryzacyjnym zakresie od -40ºC do +150ºC. Pasmo przenoszenia układu do 35kHz i izolacja wejście-wyjście do 3kV pozwalają na stosowanie układu w aplikacjach napięcia przemiennego niskiej częstotliwości..

Ciekawe parametry ma układ ACS704 w obudowie SOIC, w wersjach ±5A i ±15A. Mierzony prąd jest wprowadzany do wnętrza obudowy SOIC, jak tylko możliwe najbliżej płytki Halla w strukturze, dla osiągnięcia jak największej czułości i dokładności, przy utrzymaniu niskiej rezystancji wewnętrznej 1,5mΩ. Wprowadzenie ścieżki prądowej do obudowy pozwoliło kontrolować równocześnie upływ prądu i odległości izolacyjne i umożliwiło osiągnięcie wytrzymałości izolacji do 800Vsk. Przy zasilaniu pojedynczym napięciem 5V, czułość wyjściowa wynosi nominalnie 133mV/A dla układu 5A i 100mV/A dla układu 15A. Średni poziom napięcia wyjściowego jest równy połowie napięcia zasilania, i wzrasta ze wzrostem natężenia prądu. Pasmo przenoszenia obu wersji rozciąga się do 50kHz, dzięki czemu są one użyteczne w aplikacjach niskoprądowych o małych rozmiarach.

Liczniki energii wymagają elektronicznych układów pomiarowych

Znany wszystkim licznik energii elektrycznej jest jedną z nielicznych, pozostających jeszcze w użyciu, konstrukcji z epoki wiktoriańskiej dokonującą pośrednio pomiaru prądu zmiennego. Licznik ten swoją długowieczność zawdzięcza głównie niezmieniającej się strukturze zapotrzebowania na energię, w której dominuje tradycyjny sprzęt taki jak grzejniki i żarówki. Ale współczesny indywidualny odbiorca energii elektrycznej oprócz nich ma również sporą liczbę lamp fluoroscencyjnych, sprzętu AGD i innych urządzeń domowych, o niemałym udziale w obciążeniu składowej reaktancyjnej, z którą tradycyjny licznik elektromechaniczny nie radzi sobie dobrze. W rezultacie liczni dostawcy energii rozważają alternatywne taryfy opłat za obsługę urządzeń o kiepskim współczynniku mocy, a od producentów domagają się liczników rozróżniających moc rzeczywistą i pozorną. Liczniki takie wymagają układów scalonych do obliczania wyników pomiarów, przedstawianych następnie albo przez tanie wskaźniki elektromechaniczne, albo, za pośrednictwem mikrokontrolera, przez wyświetlacze LCD, i obsługujące taryfy zróżnicowane w zależności od pory doby.

Potencjalny rynek dla takich układów jest bardzo duży, liczni producenci, jak Analog Devices, Austriamicrosystems, Cirrus Logic, TDK Semiconductor, SCL India, STMicroelectronics i Texas Instruments, oferują duży wybór układów, upraszczających pomiary mocy w sieci energetycznej.

Rys. 6. W układzie ADE7757A firmy Analog Devices w celu obniżenia kosztu urządzenia umieszczono oscylator i monitor zasilacza.

Liderem w zakresie układów prądowych na tym rynku jest Analog Devices, z około 50 milionami rozmieszczonych już mierników. Ostatnio zaprezentowanym wyrobem firmy jest ADE7757A, wersja popularnego ADE7755 o zredukowanej liczbie wyprowadzeń. Układ ten pozwala zmniejszyć koszt licznika dzięki wprowadzeniu do chipu oscylatora sterującego blokiem przetwarzania cyfrowego i bezpośredniego interfejsu z bocznikiem prądowym (rys. 6). Jego dwa 16-bitowe przetworniki A/C sigma-delta, wchodzące w skład głównych obwodów analogowych, służą do digitalizowania sygnałów kanałów napięciowego i prądowego z częstotliwością nadpróbkowania 450kHz. Układ oblicza moc rzeczywistą, przetwarzając cyfrowo chwilowy sygnał mocy. Uzyskuje moc rzeczywistą z iloczynu mierzonych w czasie rzeczywistym napięcia i prądu. Filtr górnoprzepustowy w kanale prądowym usuwa składową stałą, która wywoływałaby błąd w mnożeniu. Wejściowe pasmo przenoszenia rozciąga się do 7kHz, co pozwala zachować dokładność algorytmu FFT przy przetwarzaniu przebiegów niesinusoidalnych. Dokładność wyników jest lepsza od 0,1% w zakresie dynamiki 500:1 w paśmie pomiarowym układu 45Hz do 65Hz. Parametry te z zapasem spełniają wymagania normy IEC-61036. Sygnał wyjściowy składa się z pary sygnałów impulsowych niskiej częstotliwości dla licznika elektromechanicznego lub kontrolera. Oddzielny sygnał logiczny wysokiej częstotliwości reprezentuje wartość chwilową mocy rzeczywistej, przydatną do kalibracji. Układ jest umieszczony w wąskiej obudowie SOIC o 16 wyprowadzeniach.

Rys. 7. Układ scalony licznika energii STPM01 monitoruje prądy w przewodach fazy i masy, aby utrudnić kradzież energii.

Wprowadzając pod presją czasu swój pierwszy „licznikowy” układ firma ST Microelectronics stała się nowym uczestnikiem tego rynku. Wytwarzany w firmowej technologii 0,36μm biCMOS układ STPM01 jest nakierowany na osobną klasę 0,5 liczników energii w obwodach jednofazowych, w których jego sygnał wyjściowy dla silników krokowych służy do sterowania licznika elektromechanicznego. Nazwa tej klasy odnosi się do pomiarów o dokładności 0,5% w obwodach o współczynniku mocy równym jedności. Alternatywnie, układ ten pracując jako układ peryferyjny mikrokontrolera, może dostarczać wyników pomiarów mocy rzeczywistej pozornej i biernej w układach jedno i trójfazowych. STPM01 jest przystosowany do pomiarów prądu opcjonalnie w przewodzie fazowym i zerowym za pośrednictwem dwóch zespołów wejść prądowych, IIP1 i IIN1 oraz IIP2 i IIN2 (rys. 7). Umożliwia to układowi wykrywanie około 20 sposobów nieuprawnionego ingerowania w licznik, zapobiegając w ten sposób kradzieżom energii – powszechnej praktyki w niektórych regionach.

Od strony analogowego wejścia licznika energii przyłącza się zwykle bocznik prądowy, transformator prądowy, albo cewkę Rogowskiego, uzupełniony o ustawienie i kalibrację urządzenia, wykonywanych za pomocą 48-bitowej raz programowalnej pamięci za pośrednictwem interfejsu SPI. Tą drogą układ także komunikuje się z mikrokontrolerem. Kalibracja obejmuje korekcję napięcia, prądu i fazy oraz kompensację temperaturową. Specjalne wyjścia obejmują sterowniki LED, sygnalizujące wizualnie stan licznika, detektor przejścia przebiegu zmiennoprądowego przez zero, umożliwiający sterowanie włączaniem i wyłączaniem obciążenia, dzięki czemu unika się iskrzenia i generacji zakłóceń. STPM01 jest dostarczany w 20-wyprowadzeniowej obudowie TSSOP.

Analog Devices i STMicroelectronics oferują wzory układów i tanie kity ewaluacyjne, ułatwiające opracowywanie mierników. (KKP)