Pomiar natężenia prądu w sieci energetycznej

Rys. 1. Wewnętrzna struktura czujnika ACS712. Wokół detektora Halla widać ścieżkę prądową uformowaną w kształt U

Rezystorowe czujniki szeregowe przyczyniają niekiedy kłopotów. Do pomiaru dużych prądów ich rezystancja, dla ograniczenia generacji ciepła, musi być bardzo mała, a to często wymaga znacznego wzmocnienia sygnału pomiarowego do użytecznego poziomu. Warto to zilustrować prostym przykładem.

Przy pomiarze prądu o maksymalnym natężeniu 15A za pośrednictwem szeregowo włączonego w obwód rezystora 10mΩ, maksymalny sygnał pomiarowy osiąga 150mV. Wykorzystać go można po mniej więcej 20-krotnym wzmocnieniu. Jednakże prąd 15A wydziela w rezystorze 10mΩ moc 2,25W.

Można zastosować rezystor 3W SMT, ale jego rozmiary i koszt mogą się okazać nieakceptowalne, ponieważ generowane w nim ciepło, zwłaszcza w ciasnej obudowie miernika, będzie trudne do odprowadzenia. Moc wydzielaną w czujniku rezystorowym można zredukować np. dziesięciokrotnie, zmniejszając jego rezystancję do 1mΩ, będzie on wtedy generował przy 15A tylko 0,23W. Ale potrzebne będzie teraz wzmocnienie 200-krotne.

Jeśli okaże się to opłacalne, nierozwiązalnym pozostanie tylko brak galwanicznej izolacji elementu pomiarowego. Bezpieczną izolację zapewnia natomiast transformator prądowy. Istnieją dwa rodzaje takich transformatorów. Jeden sprowadza się do typowej konstrukcji o dwóch uzwojeniach, nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Przez pierwotne przepływa mierzony prąd, a wtórne dostarcza sygnału napięciowego.

Drugi rodzaj transformatora prądowego składa się z rdzenia toroidalnego, przez którego otwór przechodzi przewód z prądem mierzonym, tworzący uzwojenie pierwotne o jednym zwoju i całkowicie odseparowanego uzwojenia wtórnego o wielu zwojach. Przekładnia w obu rodzajach transformatorów jest wysoka, zwykle od 1:50 do 1:1500, zatem stosunkowo niewielkie natężenia pierwotne może generować duże napięcie wtórne.

Dzięki temu wysokie wzmocnienie sygnału nie jest potrzebne. Obszar stosowania transformatorów prądowych jest bardzo szeroki, od kilku miliamperów do wielu setek amperów. Są one jednak stosunkowo duże i drogie, a niektóre z nich w szerokim zakresie natężeń wykazują nieliniowość. Nie ma co ukrywać, współczesne układy do pomiarów natężenia prądu muszą być małe, tanie i muszą zapewniać dobrą izolację.

Rys. 2. W tej konstrukcji czujnik Halla i ścieżka prądowa znajdują się po dwóch stronach płytki drukowanej

Wprowadzany przez nie do mierzonego obwodu spadek napięcia musi być pomijalny, muszą też zapewniać liniowość w całym zakresie pomiarowym, a wydzielana w nich moc musi być bliska zeru. Muszą się nadawać do konwencjonalnego automatycznego montażu na płytkach drukowanych bez konieczności ręcznego montowania dużych podzespołów.

Efekt Halla

Edwin Hall odkrył w roku 1879, że gdy przewodnik z przepływającym prądem znajdzie się w polu magnetycznym, w przewodniku jest indukowane napięcie proporcjonalne do natężenia tego pola. Zjawisko to, nazwane efektem Halla, jest obecnie powszechnie używane do wykrywania i pomiarów pól magnetycznych, zarówno statycznych, jak i zmiennych.

Ponieważ prąd płynący w przewodzie generuje pole magnetyczne, umieszczony w tym polu czujnik Halla dostarcza napięcia wprost proporcjonalnego do natężenia prądu w przewodzie. Umieszczając w jednym pakiecie czujnik Halla i przewód prądowy, otrzymuje się miernik prądów tak stałych, jak i zmiennych.

Przykładem takiego miernika jest układ ACS712 firmy Allegro Microsystems, w którym w obudowie SO-8 czujnik Halla jest sprzężony z przewodem o niskiej rezystancji (rys. 1). Układ jest zasilany napięciem 5V, a izolacja pomiędzy obwodem czujnika a przewodem prądowym wytrzymuje napięcie 2,1kV. Czujnik Halla dostarcza napięcia stałego, proporcjonalnego do natężenia przepływającego prądu.

Rys. 3a. Typowe oscylogramy przebiegów napięciowych na wyjściu czujnika A1321. Sygnał wyjściowy dla prądu o natężeniu 5A

ACS712 jest dostarczany w trzech wariantach, o czułości od 66mV/A do 185mV/A dla prądów od ±30A do ±5A. Rezystancja przewodnika prądowego wynosi średnio tylko 1,2mΩ, a wydzielana w nim moc niewiele przekracza 1W przy maksymalnym prądzie (30A). Firma dostarcza szereg podobnych układów, np. ACS754, pozwalających mierzyć większe natężenia prądu, do 200A.

Układ ACS712 jest atrakcyjnym przykładem miernika prądu zmiennego. Ale przy cenie około 1,60 USD w dużych partiach dla tanich aplikacji może okazać się za drogi. Poza tym generowana w układzie moc, chociaż niezbyt wielka, może przyczynić trudności w zakresie największych natężeń.

Pętle

Na szczęście istnieje jeszcze inny sposób korzystania z czujnika Halla. Montuje się go po jednej stronie dwustronnej płytki drukowanej, dokładnie nad pętlą ścieżki prądowej, wytrawionej po drugiej stronie płytki (rys. 2). Zasada działania takiego miernika jest następująca: płynący ścieżką prąd zmienny wytwarza pole magnetyczne, skupiające się bezpośrednio na czujniku Halla.

Uformowana w kształt U pętla ścieżki działa tak samo, jak pętla prądowa widoczna w chipie na rysunku 1. Ponieważ pętla ta i niebezpieczna ścieżka prądowa znajdują się po przeciwnych stronach płytki, jej izolacyjny materiał zapewnia wymaganą galwaniczną izolację bezpieczeństwa. Do takiego właśnie rozwiązania jest przeznaczony inny układ Allegro Microsystems, A1321EHLT-T.

Tak jak ACS712 generuje on napięcie wyjściowe proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego. Jest on jednak znacznie tańszy od ACS712. A ponieważ mierzony prąd płynie przez ścieżkę płytki drukowanej, a nie przez układ scalony czujnika, moc w nim tracona jest mała i nie przysparza kłopotów.

Rys. 3b. Typowe oscylogramy przebiegów napięciowych na wyjściu czujnika A1321. Sygnał wyjściowy dla wyprostowanego przebiegu półfalowego

Układ mieści się w małej obudowie SOT- -23, dzięki czemu pętla prądowa może być również niewielka, a całość zajmuje stosunkowo mało miejsca na płytce. Spoczynkowe napięcie wyjściowe układów serii A132x nominalnie jest równe połowie napięcia zasilania, a czułość wersji A1321 wynosi 5mV/Gs. Zatem czujnik w konfiguracji jak na rysunku 2, zasilany napięciem 5V, dostarcza niewielkiego sygnału zmiennego, który waha się wokół stałego poziomu 2,5V.

Na oscylogramie na rysunku 3a pokazano sygnał wyjściowy, odpowiadający wartości skutecznej prądu 5A/50Hz. Oczywiście przed przetwarzaniem w dalszych stopniach, takich jak przetwornik A/C czy komparator, sygnał ten musi zostać wzmocniony i zamieniony na napięcie stałe. Zamiany tej dokonuje się na różne sposoby, na przykład za pomocą wzmacniacza z układem uśredniającym wartość bezwzględną (rys. 4).

Wzmacnia on składową zmienną sygnału, odcina jego spoczynkową składową stałą i dostarcza napięcia stałego, proporcjonalnego do bezwzględnej wartości przebiegu napięcia zmiennego. Sygnał wyjściowy czujnika (z wyprowadzenia 2 IC1) jest obarczony sporymi szumami, co widać na rysunku 3a, które zostają odfiltrowane przez R1C2.

Częstotliwość odcięcia tego filtra dolnoprzepustowego jest na tyle wyższa od częstotliwości sieci, że jego wpływ na amplitudę sygnału doprowadzanego do wzmacniacza jest bardzo mały. Wzmocnienie utworzonego przez IC2, R2, R3 i C4 wzmacniacza jest duże dla sygnału zmiennego czujnika, a dla składowej stałej równe jedności.

W rezultacie na wyjściu IC2 pojawia się wzmocnione napięcie zmienne czujnika nałożone na napięcie stałe 2,5V. Wzmocnienie napięcia zmiennego wynosi: k = 1 + R2/(R3 + XC4), gdzie XC4 jest reaktancją C4. Przy pokazanych na rysunku 4 wartościach R2, R3 i C4 wzmocnienie to wynosi nominalnie 36V/V. Pozostała część układu jest przetwornikiem średniej wartości bezwzględnej.

Rys. 4. Czujnik Halla ze wzmacniaczem i układem wartości bezwzględnej jest jednym z przykładów zamiany sygnału zmiennego na napięcie stałe

Składa się on z dwóch stopni, z których pierwszy jest tworzonym przez IC3a przetwornikiem wartości bezwzględnej o wyjściu różnicowym, a drugi zwykłym wzmacniaczem różnicowym. Dwa ostatnie stopnie wraz z funkcją całkującą kondensatorów C7, C8, C9 i C11 dokonują niesymetrycznego przetwarzania wartości bezwzględnej. W rezultacie na wyjściu U_WYJ otrzymuje się niesymetryczne napięcie wyjściowe, które jest proporcjonalne do międzyszczytowej amplitudy sygnału, pojawiającego się na wyjściu IC2.

Wybór wzmacniaczy operacyjnych

Dobierając elementy układu, należy wybrać wzmacniacze operacyjne o małym prądzie wejściowym. Najlepiej, aby IC2 miał szeroki zakres napięcia wyjściowego, a wejścia i wyjścia IC3a i IC3b były typu rail-to-rail, z małym wejściowym napięciem niezrównoważenia dla zminimalizowania niezrównoważenia na wyjściu.

IC3 jest na rysunku pokazany jako para, ale równie dobrze można użyć wzmacniaczy oddzielnych. Wewnętrzna średnica ścieżki prądowej na tylnej stronie płytki drukowanej z rysunku 2. jest w przybliżeniu równa rozmiarowi czujnika Halla na przedniej stronie płytki. Przy użyciu elementów SMT cały układ zajmuje powierzchnię niewiele większą od znaczka pocztowego. Wielkość sygnału wyjściowego czujnika jest silnie zależna od rozmiarów i geometrii pętli ścieżki prądowej.

Zatem, gdy po zaprojektowaniu płytki drukowanej zostanie wykonany prototyp, może się okazać konieczna korekta wzmocnienia, aby otrzymać optymalną zależność U_wyj od natężenia mierzonego prądu. Najłatwiej to uzyskać poprzez dobór rezystancji R3. Szerokość ścieżki prądowej musi być dostosowana do maksymalnego natężenia przepływającego przez nią prądu. Na rysunku 5 przedstawiono zależność napięcia wyjściowego od natężenia mierzonego prądu w układzie z rysunku 2.

Rys. 5. Charakterystyka napięcia wyjściowego układu z rysunku 2 w funkcji natężenia mierzonego prądu jest liniowa od około 0,4A do blisko 13A

Widać doskonałą liniowość tej zależności, od około 0,4A do niemal 13A wartości skutecznej. Czułość układu wyniosła około 350mV/A. Czułość tę można zmienić, zmieniając wzmocnienie napięcia zmiennego. Trzeba pamiętać, że układ dostarcza średniej miary bezwzględnej wartości natężenia prądu. Tylko dla przebiegów w pełni sinusoidalnych wartość skuteczna jest proporcjonalna do wartości międzyszczytowej.

Jednakże w niektórych urządzeniach przebieg jest odkształcany od sinusoidalnego, co fałszuje wyniki. Na przykład szybkość i zużycie energii niektórych suszarek do włosów i wentylatorów są czasem obniżane włączeniem w obwód prostownika, który redukuje prąd do półfalowych impulsów. Przebieg taki ilustruje oscylogram na rysunku 3b.

Pomiar wartości skutecznej napięcia niesinusoidalnego jest możliwy za pośrednictwem wyspecjalizowanego przetwornika, na przykład AD737 firmy Analog Devices albo LTC1966 firmy Linear Technology. Opisany układ nie nadaje się jednak do pomiarów bardzo małych natężeń prądu, gdy skutki niezrównoważenia i nieliniowości wzmacniaczy są już znaczące wobec bardzo małego sygnału czujnika Halla.

Dokładność i liniowość układu zaczynają się pogarszać poniżej 0,5A. Układ ten nie jest przeznaczony do dokładnych pomiarów natężenia prądu. Do pomiarów dokładniejszych od ±5% trzeba się posłużyć innymi metodami. Na powtarzalność (zróżnicowanie wyników w zależności od egzemplarza miernika) wpływają wzmocnienie i indywidualna czułość magnetyczna poszczególnych czujników Halla. (KKP)