Măsurarea curentului este o cerinţă standard în aplicaţiile de electronică de putere. Multe dintre aceste aplicaţii au o componentă de curent continuu a curentului şi/sau necesită izolare galvanică. Aceasta conduce dispozitivul de măsurare către un traductor de curent ca fiind în opoziţie faţă de un transformator de curent. Un traductor de curent va măsura curent AC sau DC. În funcţie de cerinţele de precizie şi lăţime de bandă, selectarea traductorului de curent va fi de tip buclă in deschisă sau în buclă închisă. Precizie mai mare şi lăţime de bandă mai mare necesită uzual o buclă închisă. Precizia este un termen relativ în acest caz. Precizia uzuală a unei bucle deschise este de tipic 1% la 25°C. Precizia unei bucle închise este de aproape 0,5% – 0,7% la 25°C. Aceste precizii sunt o combinaţie de imprecizii pentru câştig şi liniaritate. Eroarea de offset este făcută 0 la pornire, motiv pentru care nu este considerată aici.
Comportamentul buclei deschise şi închise la supratemperatură diferă semnificativ în ceea ce priveşte măsurarea. La temperaturi peste 60°C în cazul buclei închise se observă o derivă de numai 1% pe întreaga scală. La aceeaşi temperatură de 60°C, o buclă deschisă poate conduce la o derivă de 3% sau mai mult. Aceste erori de temperatură se adaugă erorilor definite la 25°C. Aplicaţiile unde se produce încălzire şi/sau în care măsurarea curentului joacă un rol foarte important în control, necesită o soluţie în buclă închisă.
Autor: Erik Lange, Inginer Marketing & Aplicaţii, LEM USA, Inc.
Un mare pas înainte
Celula Hall este un dispozitiv semiconductor. Amplificatorul utilizat în dispozitivele în buclă închisă şi deschisă sunt de asemenea fabricate din siliciu. Până acum aproape 10 ani aceste două părţi ale traductorului de curent erau fabricate separat. Traductoarele de curent erau fabricate cu componente discrete lipite pe un circuit imprimat. Acest lucru s-a schimbat cu dezvoltarea unui circuit integrat specific aplicaţiei (ASIC) de măsurare de curent.
Celula Hall şi amplificatorul erau plasate pe aceeaşi pastilă de siliciu şi incapsulate împreună. Acest lucru a însemnat realizarea de traductoare de curent bazate pe ASIC. Primul traductor de curent bazat pe ASIC a fost seria LEM LTS, traductor în buclă închisă cu celulă Hall pentru montare pe plăci de circuit imprimat.
O tehnică dificil de realizat cu componente discrete este aceea de rotire a celulei Hall. Prin plasarea celulei Hall pe un ASIC, poate fi implementată o matrice de celule Hall a căror informaţie să fie mediată. Acest lucru, în combinaţie cu rotaţia celulei Hall conduce la o măsurare mult mai precisă a curentului. Rotirea se referă la rotirea sursei de curent şi a punctelor de măsurare pe celule Hall individuale, rotite în 4 poziţii. Celulele Hall multiple combinate cu rezultatele rotaţiei conduce la erori de amplificare şi offset mai mici.
Poate unul dintre cele mai mari avantaje ale unui traductor bazat pe ASIC este selectarea sursei de tensiune. Uzual, traductoarele de curent necesitau o sursă de tensiune bipolară (de exemplu ±15V). Aceasta furnizează o ieşire ce are amplitudine şi polaritate. Polaritatea indică sensul curentului. În cazul traductoarelor bazate pe ASIC, sursa de tensiune poate fi una unipolară de 5V sau chiar de 3,3V. Un traductor unipolar păstrează informaţia de sens al curentului prin utilizarea unei tensiuni de referinţă, tipic de 2,5V în cazul unui traductor de 5V. Pentru această tensiune de referinţă se indică curent nul (0A).
Tensiunea de referinţă
Tensiunea se referinţă este generată intern de ASIC. Tensiunea de ieşire proporţională cu valoarea curentului măsurat se adaugă sau se scade din referinţă în funcţie de sensul curentului. Datorită faptului că amplificatorul de ieşire ASIC nu este de tip rail-to-rail, limitele de ieşire sunt de la 0,5V la 4,5V. În funcţie de sensibilitatea programată în ASIC, gama tensiunii de ieşire de la 2,5V la limita respectivă poate reprezenta de trei ori curentul nominal al traductorului. Aceasta permite măsurarea curentului pentru control, dar şi o măsurare de 300% pentru scheme de protecţie dacă este necesar.
Există însă o incertitudine asociată cu tensiunea de referinţă (Vref). În cazul majorităţii traductoarelor bazate pe ASIC, Vref este externalizată printr-un pin de referinţă. Vref este atât tensiune de ieşire cât şi de intrare. Funcţia de ieşire poate fi integrată ca intrare a unui amplificator diferenţial împreună cu tensiunea de ieşire a traductorului (Vout). Scăzând Vref din Vout se elimină eroarea datorată Vref din măsurare. Dar Vref şi Vout pot fi intrări pe două intrări separate Analog-Digital şi pot fi scăzute în software. Vref poate fi de asemenea o intrare datorată unei tensiuni externe aplicate pe pinul Vref. Acest lucru este util din două motive: unul este acela că se poate utiliza o sursă mult mai precisă pentru Vref decât cea internă, iar al doilea este acela că se poate schimba valoarea de referinţă.
Tensiunea de referinţă poate fi stabilită mai mare sau mai mică prin aplicarea tensiunii dorite pe pin. Acest lucru poate conduce la un domeniu de măsurare mai mare într-un sens de curent.
Acest lucru este util mai ales în cazul aplicaţiilor de curenţi unidirecţionali.
Siguranţă în funcţionare îmbunătăţită
ASIC este un dispozitiv cu o funcţionare mult mai sigură decât cea a unui traductor construit cu componente discrete. Un traductor bazat pe ASIC va opera pe un domeniu mai larg de temperatură, faţă de dispozitivele cu componente discrete. Această siguranţă crescută în funcţionare, precum şi domeniul extins al temperaturii de operare au condus la dezvoltarea de traductoare de curent bazate pe ASIC pentru industria auto. Aproape orice maşină fabricată astăzi dispune la minimum de monitorizarea curentului la baterie. Maşinile hibride şi electrice vor avea mai mult de o duzină de traductoare de curent în fiecare vehicul. Cerinţele de calitate din industria auto au condus la dezvoltarea de traductoare bazate pe soluţii ASIC. Sursele de tensiune unipolare, greutatea redusă şi siguranţa funcţionării în medii dure sunt câteva dintre caracteristicile traductoarelor tip auto. Familiile de traductoare pentru industria auto şi-au găsit aplicaţii şi în alte domenii, precum vehicule de teren şi echipamente industriale.
Traductoarele bazate pe ASIC permit adăugarea de caracteristici adiţionale. Apare şi ideea de programabilitate. Sunt posibile şi caracteristici de auto-testare. De asemenea sunt posibili şi pini de ieşire dedicaţi, precum detecţie de supracurent (OCD). Erorile de offset şi amplificare pot fi testate pe un domeniu de temperaturi în timpul fabricaţiei, iar programarea poate introduce compensări. Filtrarea poate fi programată, având impact asupra lăţimii de bandă şi timpului de răspuns.
Programabilitate
Dintre caracteristicile de programabilitate, poate că cea cu cel mai mare impact este OCD. Implementat ca un pin din configuraţie internă colector deschis, OCD îşi va schimba stările pe durata episoadelor de supracurent. Pragul OCD este programabil şi poate fi în afara domeniului de măsurare al traductorului. Deşi domeniul de măsurare poate fi concentrat pe domeniul curentului de operare, funcţia de suprasarcină va opera separat. Domeniul de măsurare poate avea un filtru programabil cu un timp de răspuns de 3,5μs pentru motive de control. OCD va răspunde în 2μs.
Controlul este filtrat cu o mai mare sensibilitate decât ar fi posibil altfel dacă funcţia de protecţie ar fi fost inclusă în domeniul de măsurare. Un pin OCD elimină necesitatea unui circuit comparator. Pragul de supracurent poate fi de 5 ori mai mare decât curentul nominal al traductorului.
Apropierea de soluţiile cu buclă închisă
Măsurarea curentului pe bază de ASIC este veche de peste 10 ani. Multe au fost învăţate în aceşti mai mult de 10 ani. Noile generaţii LEM HG2 Hall Generation 2 ASIC oferă îmbunătăţiri semnificative de performanţe. Performanţele unui traductor în buclă deschisă bazat pe HG2 se apropie de traductoarele în buclă închisă. Pentru aplicaţii cu frecvenţă fundamentală mai scăzută (< = 400Hz), traductorul în buclă deschisă LEM HG2 va oferi o lăţime de bandă şi timp de răspuns aproape de valorile traductoarelor în buclă închisă. Incertitudinea cu temperatura se va apropia de performanţele traductoarelor în buclă închisă mai mult decât cele ale generaţiei 1 de dispozitive ASIC. Acest lucru permite aplicaţiilor existente să opereze mai bine şi aplicaţiile ce anterior nu puteau fi realizate cu ASIC pot fi acum implementate cu ASIC. Suplimentar îmbunătăţirii performanţelor, includerea unei ieşiri OCD permite ca domeniul de măsurare să fie mai concentrat pe domeniul de control dinamic al aplicaţiei, îmbunătăţind şi mai mult performanţele.
Concluzii
Implementarea traductoarelor de curent bazate pe ASIC deschide funcţionalităţi pe care traductoarele tradiţionale cu componente discrete nu le puteau niciodată atinge. Disponibilitatea traductoarelor de înaltă siguranţă în funcţionare bazate pe ASIC cu domeniu extins al temperaturii de operare a permis dezvoltarea măsurării de curent pentru industria auto. Sursele unipolare ale ASIC-urilor au simplificat schemele de alimentare. ODC programabil permite domenii de măsurare mult mai eficiente, oferind însă praguri de suprasarcină. Dezvoltarea celei de a doua generaţii de dispozitive ASIC a permis îmbunătăţirea performanţelor. Cu performanţe mai bune şi funcţionalitate suplimentară, dispozitivele Gen 2 în buclă deschisă se apropie de performanţele standard în buclă închisă. Acest lucru permite aplicaţiilor în buclă deschisă să implementeze imediat generaţia a doua de dispozitive şi să îmbunătăţească performanţele. Pentru noile design-uri, generaţia a doua de dispozitive permite implementarea de aplicaţii mai complexe şi înlocuirea traductoarelor în buclă închisă.
www.lem.com