Układy do pomiaru prądu z analogowymi wzmacniaczami izolacyjnymi i czujnikami Halla

Rys. 1. Układ pomiaru prądu silnika na bazie wzmacniacza izolacyjnego HCPL-7851

W najprostszej wersji sprzęgacz optyczny zawiera wejściową diodę emisyjną LED i wyjściowy fotodetektor, rozdzielone barierą o dużej wytrzymałości dielektrycznej. Początkowo sprzęgacze optyczne, uznawane za elementy silnie nieliniowe, znajdowały zastosowanie wyłącznie w układach cyfrowych.

Ich adaptacja w aplikacjach analogowych wymagała stosowania specjalnych zabiegów układowych. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele typów sprzęgaczy nadających się bezpośrednio do zastosowań w układach liniowych, których przykładami mogą być HCPL-7851, HCPL-785K i HCPL-7850 produkcji Avago Technologies.

Hermetyczny analogowy wzmacniacz izolacyjny HCPL-7851 może być stosowany do pomiaru prądów i napięć. Stanowi doskonały zamiennik dla transformatorów prądowych i czujników Halla pracujących w układzie z otwartą i zamkniętą pętlą.

Jego struktura obejmuje wejściowy modulator delta-sigma, przetwornik A/C, układ nadawczy z diodą LED, fotodetektor, przetwornik C/A i filtr wyjściowy.

W trakcie pracy układu modulator delta-sigma przekształca analogowy sygnał wejściowy na strumień bitów, który po zakodowaniu jest przesyłany przez barierę optyczną do detektora. Tam sygnał jest dekodowany i zamieniany z powrotem na postać analogową.

Hermetyczny analogowy wzmacniacz izolacyjny ze sprzężeniem optycznym

HCPL-7851 może być wykorzystany do pomiaru prądów szyny zasilającej, prądów fazowych AC, napięcia na szynie, temperatury (napięcia z czujnika temperatury umieszczonego na radiatorze) oraz do pomiaru siły elektromotorycznej silników. Charakteryzuje się pasmem 40 kHz.

Zaimplementowany w jego strukturze ekran zapewnia odporność na skoki wejściowego napięcia sumacyjnego (CMR) równe 5 kV/μs przy VCM=1100 V, co jest cechą niezbędną w przypadku zastosowań w nowoczesnych układach napędowych.

Maksymalna nieliniowość wynosząca 0,8% jest gwarantowana w militarnym przedziale temperatur pracy od -55 do +125°C oraz w pełnym zakresie napięć wejściowych ±200 mV. HCPL-7851 zapewnia duże napięcie izolacji między wejściem i wyjściem. Na rysunku 1 przedstawiono typowy schemat aplikacyjny HCPL-7851 w układzie pomiaru prądu fazowego silnika.

Sygnał wejściowy jest tu próbkowany na zaciskach precyzyjnego rezystora szeregowego o małej indukcyjności pasożytniczej, małym współczynniku temperaturowym i małej rezystancji.

Umieszczony na wejściu wzmacniacza filtr dolnoprzepustowy RC (39 Ω / 0,01 μF) jest filtrem antyaliasingowym zapobiegającym przedostawaniu się do modulatora szumów w.cz. Podłączony do wyjścia HCPL-7851 wzmacniacz różnicowy ma za zadanie wygenerować napięcie analogowe asymetryczne, akceptowane przez przetworniki A/C i mikrokontrolery. Pełni ponadto funkcję filtru dolnoprzepustowego usuwającego składowe w.cz. generowane przez chopper.

Metody pomiaru prądu w układach napędowych

Rys. 2. Wykorzystanie transformatora prądowego do pomiaru prądu silnika

W układach napędowych istnieje konieczność pomiaru prądu fazowego silnika, prądów szyny zasilającej oraz innych parametrów, takich jak napięcie i temperatura. Zazwyczaj wszystkie te pomiary wymagają zastosowania bariery izolacyjnej. Istnieją trzy typy elementów wykorzystywanych do izolacji układu pomiarowego:

• transformator prądowy,
• czujniki prądu wykorzystujące efekt Halla,
• czujniki analogowe z izolacją optyczną.

Każdy z nich ma swoje wady i zalety. Zadaniem projektanta jest wybór rozwiązania, które zapewni równocześnie minimalizację kosztów i powierzchni płytki drukowanej, dużą niezawodność oraz dużą dokładność i liniowość pomiaru.

Transformator prądowy

W transformatorze prądowym wykorzystywane jest zjawisko wytwarzania pola magnetycznego proporcjonalnego do natężenia prądu płynącego przez przewodnik, zgodnie z prawem Ampère'a.

Pole magnetyczne generowane przez uzwojenie pierwotne wskutek sprzężenia magnetycznego obu uzwojeń generuje proporcjonalny prąd płynący w uzwojeniu wtórnym, którego natężenie zależy od przekładni transformatora.

Do pomiaru prądu wystarcza tu zwykły wzmacniacz operacyjny. Przykład układu pomiarowego z transformatorem prądowym przedstawiono na rysunku 2. Najważniejszą zaletą układu pomiarowego z transformatorem prądowym jest duża liniowość i niezawodność.

Ponadto, sprzężenie prądowe zapewnia dużą odporność na szumy w porównaniu z układami ze sprzężeniem napięciowym. Do wad należą duże wymiary transformatorów oraz możliwość pomiaru natężenia wyłącznie prądów zmiennych.

Czujnik Halla

Rys. 3. Czujnik Halla z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego

Czujniki Halla bazują na efekcie odkrytym przez Edwarda H. Halla w 1879 roku. Zjawisko to polega na powstaniu siły oddziałującej na elektrony płynące w przewodniku znajdującym się w polu magnetycznym, powodującej ich dryft w kierunku jednego z brzegów przewodnika.

W konsekwencji między przeciwległymi brzegami przewodnika w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola magnetycznego powstaje różnica potencjałów zwana napięciem Halla, które zwiększa się liniowo wraz ze wzrostem natężenia prądu. W układach pomiarowych stosuje się dwa rodzaje czujników Halla: z otwartą pętlą i z zamkniętą pętlą sprzężenia.

Nie wymagają one jakiegokolwiek kontaktu elektrycznego z obwodem badanym.Typowy czujnik Halla zawiera rdzeń magnetyczny koncentrujący pole mierzone przez sensor. Czujniki z otwartą pętlą generują napięcie proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, a więc do mierzonego prądu. Ich wadą jest histereza rdzenia powodująca występowanie offsetu zera.

Wadę tę wyeliminowano w czujnikach z zamkniętą pętlą, generujących prąd przechodzący przez uzwojenie sprzężenia zwrotnego, powodujący wyzerowanie indukcji początkowej. Czujniki Halla z zamkniętą pętlą zapewniają lepszą liniowość i większą szybkość działania, ale są droższe od czujników z otwartą pętlą.

Zaletą czujników Halla w stosunku do transformatorów prądowych jest możliwość pomiaru natężenia prądu zarówno zmiennego, jak i stałego przy zapewnieniu izolacji galwanicznej.

Podsumowanie

Podejmując decyzję o wyborze czujnika Halla bądź optoizolatora, należy wziąć pod uwagę kilka czynników, takich jak napięcie izolacji, liniowość, off set zera, pasmo, zakres temperatur pracy czy koszt. Optoizolatory zapewniają najlepszą liniowość.

Są szybsze od czujników Halla z otwartą pętlą i porównywalne lub wolniejsze od czujników Halla z zamkniętą pętlą. Czułość temperaturowa wzmacniaczy izolacyjnych zależy od współczynnika temperaturowego (zazwyczaj bardzo małego) wejściowego rezystora pomiarowego.

Oba typy czujników Halla cechuje natomiast większa czułość temperaturowa z uwagi na zastosowany w nich rdzeń magnetyczny. Ogólnie, wzmacniacze izolacyjne są elementami bardziej zaawansowanymi, precyzyjnymi i liniowymi od obu typów czujników Halla. Są przy tym tańsze, mniejsze i mogą być montowane w technologii SMT.

Future Electronics
www.futureelectronics.com