Trasduttori di corrente Closed Loop

MISURE DI POTENZA –

Caratteristiche come precisione, effetti della temperatura, derating e scelta della resistenza di carico hanno tutti un deciso impatto sulle prestazioni dei trasduttori di corrente.

La misurazione della corrente è parte integrante dell'elettronica di potenza. I trasduttori di potenza forniscono questa misurazione con le diverse tecnologie disponibili. La tecnologia più utilizzata è la Closed Loop Hall Effect o Closed Loop Flux Gate. La tecnologia Closed Loop offre diversi e specifici vantaggi di cui necessitano i progettisti di elettronica di potenza. Tuttavia, ci sono alcuni dettagli non sempre noti che possono rendere un'applicazione eccezionale o tradursi in un fallimento. Di seguito si possono trovare alcune delle caratteristiche che dovrebbero essere tenute in considerazione. I trasduttori di corrente sono dispositivi passivi nel senso che non influenzano attivamente la corrente deve essere misurata. Essi richiedono un'alimentazione per poter funzionare. Tipicamente, i requisiti di alimentazione sono nella sotto gamma dei 30 mA indifferentemente dalla tensione di alimentazione. La maggior parte dei trasduttori richiede un'alimentazione bipolare (normalmente +/-15V). Tuttavia, trasduttori ad alimentazione singola stanno ora divenendo più disponibili. I dispositivi Closed Loop hanno anche necessità aggiuntive di corrente di pilotaggio per la loro corrente secondaria.

Le due caratteristiche principali dei trasduttori

I trasduttori di corrente (da non confondere con un trasformatore di corrente) possono misurare correnti sia DC che AC. La misurazione DC richiede che si utilizzino trasduttori di corrente. Questa è una delle due caratteristiche che li distingue da altre forme di misurazione di corrente. Una corrente AC pura potrebbe essere misurata con un normale trasformatore di corrente. Ma, se la corrente da misurare ha periodi di tempo senza di/dt, allora è necessario un trasduttore di corrente. L'isolamento galvanico è la seconda caratteristica che guida la scelta dei trasduttori di corrente come soluzione a una applicazione di misurazione di corrente. I circuiti primari e secondari di un trasduttore di corrente sono elettricamente isolati l'uno rispetto all'altro. Questo consente un elevato potenziale primario (480 V) mentre il secondario è una tensione più bassa di controllo (+/-15V or +5V). L'isolamento galvanico è raggiunto attraverso magneti. La corrente primaria genera un campo magnetico che viene concentrato da un circuito magnetico. Un dispositivo di misurazione magnetica misura il campo B e ne restituisce la sua intensità in qualche modalità (tensione o corrente di soglia). L'informazione sulla intensità viene convertita in una tensione o corrente in output che è proporzionale alla corrente primaria. Il trasduttore di corrente originalmente sviluppato è quello Open Loop Hall Effect. Questo trasduttore consiste di tre parti: un circuito magnetico, una cellula Hall ed un amplificatore. L'uscita è una tensione proporzionale alla corrente primaria.

Closed Loop Hall Effect

L'altro vantaggio nella tecnologia dei trasduttori è il Closed Loop Hall Effect. Il closed loop prende i concetti del open loop e aggiunge un avvolgimento secondario all'uscita. Questo avvolgimento secondario è avvolto attorno al circuito magnetico in un modo tale che la corrente secondaria crei un campo magnetico opposto a quello creato dalla corrente primaria. Questo crea un nucleo relativamente senza flusso. I vantaggi del closed loop sono una virtuale assenza di correnti parassite e una larghezza di banda più elevata. L'output può essere modellato come una sorgente di corrente, con la corrente proporzionale alla corrente primaria in un rapporto determinato dal numero di spire dell'avvolgimento secondario. Il fatto che il guadagno sia determinato dal numero di spire dell'avvolgimento secondario lo rende virtualmente immune da variazioni di guadagno in funzione della temperatura. Un data sheet di un trasduttore closed loop non indicherà un effetto temperatura nelle caratteristiche di guadagno. Non c'è alcun effetto sul guadagno derivante dalla temperatura in un dispositivo closed loop. La corrente di output è un vantaggio perché è meno sensibile a sorgenti di rumore all'interno di un'applicazione. La corrente di output di un closed loop tipicamente è mossa attraverso una resistenza di carico. La corrente che passa attraverso la resistenza crea una caduta di tensione che può essere misurata da un IC analog to digital o IC comparatore.

Closed Loop Flux Gate

Il Closed Loop Flux Gate sostituisce la cellula Hall con un rivelatore Flux Gate. Il Flux Gate è un tratto di materiale magnetico inserito nello spazio vuoto di un circuito magnetico. Il nucleo Flux Gate ha un avvolgimento attorno ad esso che è sollecitato da una tensione a onda quadra. La corrente indotta viene misurata e, quando raggiunge una certa soglia, il ciclo ad onda quadra cambia. Il ciclo di carico o duty cycle dell'onda quadra è proporzionale alla corrente primaria. La tecnologia Flux Gate è digitale nella sua natura e ha un clock interno che si può manifestare come rumore alla frequenza di clock. Tuttavia, il rumore è ben al di sopra della banda passante del trasduttore. Dunque il sistema completo consiste di: circuito magnetico, Flux Gate e avvolgimento, un Asic e un avvolgimento secondario. La resistenza di carico può essere interna al dispositivo che genererà quindi una tensione di output. Altrimenti verrebbe generata una corrente di output. Ci sono altre tecnologie Flux Gate che usano diversi schemi di eccitazione e rilevamento, ma il risultato complessivo è simile. I trasduttori Closed Loop sono progettati per misurare una corrente continua uguale o minore della corrente nominale indicata dal datasheet. La corrente che deve essere misurata è tipicamente definita come corrente primaria. La corrente di output dalla connessione secondaria del trasduttore viene definita come corrente secondaria. I trasduttori Closed Loop possono misurare correnti più elevate della nominale (del range di misurazione), ma queste correnti più elevate possono solo essere misurate per un breve periodo di tempo. I vantaggi della similarità dei trasduttori di corrente Closed Loop ad una sorgente di corrente includono una più elevata immunità al rumore ed una maggiore precisione. La funzione di un trasduttore di corrente è quello di misurare corrente. Ma con quale grado di incertezza? Questi non sono infatti dispositivi ideali per raggiungere una accuratezza dei risultati. Stranamente, il guadagno viene definito da una caratteristica meccanica; quanto sarà precisa la bobina secondaria dipende dalla macchina avvolgitrice. La linearità è stabilita dalle caratteristiche del materiale del circuito magnetico. L'Offset è una funzione del magnetismo residuo del circuito magnetico. Il guadagno non viene influenzato dalla temperatura come visto in precedenza. L'Offset, tuttavia, viene influenzato dalla temperatura. La deriva di offset alle diverse temperature avrà un impatto sull'applicazione (torque ripple, per esempio). Questo è il vantaggio del Flux Gate. I trasduttori Flux Gate hanno un offset iniziale più basso e una più bassa deriva di offset al variare della temperatura rispetto ai dispositivi basati su Effetto Hall.

Gli ordini di grandezza

Una sfida significativa in tutti i dispositivi di misurazione è quanti ordini di grandezza possano misurare. Questo è funzione della precisione. La fiducia in una misurazione richiede un dato livello di precisione nel punto soggetto a misurazione al fine di potersi fidare del numero rilevato. Un rapporto di 4:1 in un dato punto dovrebbe essere il minimo (10:1 sarebbe auspicabile). Un dispositivo da 100 A preciso all'1% potrebbe misurare 1 A accuratamente, ma come saperlo? È qui che 'reading' e 'rating' entrano in gioco. Il guadagno è sempre una percentuale della lettura, il valore effettivo delle correnti primarie. La linearità è una percentuale del rating, del livello di classificazione, rispetto alla corrente nominale con cui è classificato il trasduttore. L'Offset è anche una percentuale del rating. Questi tre errori non sono di solito sommati. Questo potrebbe produrre un potenziale errore di budget che sarebbe irrealistico. Gli errori sono generalmente elevati individualmente al quadrato, sommati, e ridotti a radice quadrata. Un trasduttore che mostri un 1% di errore di guadagno, uno 0.5% di errore di linearità, e uno 0.2% di errore offset è preciso all'1.14%. Il livello di effettiva incertezza in Ampere varia con la dimensione della corrente primaria dovuta al guadagno che deve essere interpretato in relazione agli Ampere effettivamente letti. Un trasduttore da 100 A con la precisione sopra descritta, nel leggere 10 A, avrebbe una imprecisione di 0.55 A, migliore di 10:1. Un trasduttore da 100 A che leggesse 1A con la precisione appena descritta avrebbe una imprecisione di 0.54 A. Quello 0.54 A è peggiore di 2:1 con 1 A che è stato misurato e quella non sarebbe una lettura affidabile. Questa è la sfida dell'ordine di grandezza. La maggioranza dei trasduttori tratterà misurazioni al di sotto del loro rating nominale di un ordine di grandezza. Due ordini di grandezza sono una sfida seria. Alcuni dei migliori trasduttori closed loop si avvicina a 4:1, a due ordini di grandezza. Ancora di più se l'offset iniziale viene azzerato all'accensione e la deriva di offset sulla variazione di temperatura viene minimizzata (Flux Gate). È utile ricordare che l'accuratezza nella misurazione non termina con il trasduttore. L'accuratezza e la deriva della resistenza di carico entrano in gioco qui (1% vs 0.1%) con la precisione del convertitore A-to-D, anche. Nel controllare un sistema utilizzando una sonda di oscilloscopio open loop split-core da 2% di precisione non darà confronti validi con un trasduttore di corrente dallo 0,5% di precisione.

Il derating

I trasduttori di corrente avranno una loro classificazione per corrente, temepratura e larghezza di banda nei loro rispettivi data sheet. Tutte e tre non possono essere esercitate simultaneamente fino al punto limite. Gli amplificatori interni del trasduttore hanno dei limiti. La tensione cade e quindi la potenza è condivisa tra amplificatore, avvolgimento secondario e resistenza di carico. Una resistenza di carico inferiore spinge più potenza all'amplificatore, da cui deriva una temperatura maggiore dell'amplificatore. Una troppo grande produrrebbe, al contrario, un clipping. La temperatura ambientale elevata combinata ad elevate correnti misurate e resistenze di carico più piccole portano ad una maggiore potenza dissipata nell'amplificatore del trasduttore. Questi fattori debbono essere tenuti in conto durante la progettazione. Tabelle di Derating, di declassamento, sono solitamente disponibili per quantificare l'interazione di queste tre variabili. I trasduttori Closed Loop non compensano perfettamente il flusso nel nucleo. Quando ampiezza e frequenza aumentano aumenta il flusso non compensato nel nucleo. Questo porta a correnti parassite e surriscaldamento del nucleo. Per questo la necessità del derating.

Apertura e conduttore primario

Il posizionamento del conduttore primario all'interno dell'apertura nel trasduttore avrà effetti sulla precisione. La centratura del conduttore e il dimensionamento del trasduttore o del conduttore che deve riempire quanta più apertura possibile migliorano la precisione. E' bene tenere a mente che il posizionare il conduttore primario contro il bordo dell'apertura può produrre saturazioni localizzate a correnti più elevate a seconda di chi produce quel trasduttore. Non tutti i nuclei magnetici sono realizzati allo stesso modo. Alcuni produttori sovradimensionano i loro nuclei e alcuni li progettano esattamente per una certa corrente con nessuno spazio per errori.

Attenzione ai datasheet

Tutti i produttori forniscono dei data sheet dei loro trasduttori di corrente. Tuttavia, non esiste un data sheet 'standard'. Ci sono similitudini e molte differenze. Alcuni data sheet contengono un dato range di misurazione, ma nessun valore nominale. Funzionando continuamente al loro limite massimo definito come il range di misurazione può avere conseguenze negative. La precisione può essere una combinazione di guadagno, linearità, ed errori di offset per un produttore e solo guadagno per un altro. Alcuni hanno un più elevato livello di precisione durante la realizzazione dell'avvolgimento, +/-3 spire, contro altri di +/-10. Gli errori di guadagno risultanti saranno diversi. La banda passante può essere data a +/-1dB o +/-3dB
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