טכניקות חישה שוטפות המשתמשות בחיישני זרם שונים

הזרם הוא גורם קריטי מאוד בתחום האלקטרוניקה או הנדסת חשמל. באלקטרוניקה, זרם יכול להיות בעל רוחב פס ממספר ננו-אמפר למאות אמפר. טווח זה יכול להיות הרבה יותר רחב בתחום החשמלי בדרך כלל לכמה אלפי אמפר, במיוחד ברשתות החשמל. ישנן שיטות שונות לחוש ולמדוד זרם בתוך מעגל או מוליך. במאמר זה נדון כיצד למדוד זרם באמצעות טכניקות חישה שוטפות שונות עם היתרונות, החסרונות והיישומים שלהם.

שיטת חיישן זרם אפקט הול

אפקט הול מתגלה על ידי הפיזיקאי האמריקאי אדווין הרברט הול ובאמצעותו ניתן לחוש את הזרם. הוא משמש בדרך כלל לזיהוי שדה מגנטי ויכול להיות שימושי ביישומים רבים כמו מד מהירות, אזעקת דלת, DIY BLDC.

חיישן אפקט הול מייצר מתח יציאה בהתאם לשדה המגנטי. היחס בין מתח המוצא פרופורציונאלי לשדה המגנטי. בתהליך החישה הנוכחי, הזרם נמדד על ידי מדידת השדה המגנטי. מתח המוצא נמוך מאוד ויש להגביר אותו לערך שימושי באמצעות מגבר בעל רווח גבוה עם רעש נמוך מאוד. מלבד מעגל המגבר חיישן האפקט הול דורש מעגלים נוספים מכיוון שהוא מתמר לינארי.

יתרונות:

1. ניתן להשתמש בתדירות גבוהה יותר.
2. ניתן להשתמש בשני AC וגם במדויק.
3. שיטה ללא מגע.
4. ניתן להשתמש בסביבה מחוספסת.
5. זה אמין.

חסרונות:

1. החיישן נסחף ודורש פיצוי.
2. מעגל נוסף דורש פלט שימושי.
3. יקר יותר מאשר טכניקה מבוססת shunt.

חיישני אפקט הול משמשים במדדי מהדק וכן ביישומים רבים לחישוב זרם תעשייתי ורכב. סוגים רבים של חיישן אפקט הול ליניארי יכולים לחוש זרם ממספר מילי אמפר לאלפי אמפר. בשל כך, יישום ניטור רשת חכמה משתמש גם בסוג אחר של חיישן אפקט הול כדי לפקח על זרם המוליך.

שיטת חיישן שער השטף

משרן רווי הוא המרכיב העיקרי בטכניקת החישה של Fluxgate. בשל כך, חיישן Fluxgate נקרא כחיישן זרם משרן רווי. ליבת המשרן המשמשת לחיישן השטף עובדת באזור הרוויה. רמת הרוויה של משרן זה רגישה ביותר וכל צפיפות שטף פנימית או חיצונית משנה את רמת הרוויה של המשרן. החדירות של הליבה פרופורציונלית ישירות לרמת הרוויה, ומכאן שההשראות משתנות גם הן. שינוי זה בערך המשרן מנותח על ידי חיישן שער השטף כדי לחוש את הזרם. אם הזרם גבוה, ההשראות הופכות נמוכות יותר, אם הזרם נמוך, ההשראה הופכת גבוהה יותר.

חיישן ה- Hall Effect פועל באופן דומה לחיישן ה- fluxgate, אך יש הבדל אחד ביניהם. ההבדל הוא בחומר הליבה. חיישן שער השטף משתמש במשרן רווי אך חיישן האפקט הול משתמש בליבת אוויר.

בתמונה שלמעלה מוצג הבנייה הבסיסית של חיישן שער השטף. ישנם שני סלילים ראשוניים ומשניים עטופים סביב ליבת משרן רוויה. השינויים בזרימה הנוכחית יכולים לשנות את חדירות הליבה וכתוצאה מכך לשנות את ההשראות על פני הסליל האחר.

יתרונות:

1. יכול למדוד בטווח רחב של תדרים.
2. בעל דיוק רב.
3. קיזוז נמוך ונסחף.

חסרונות:

1. צריכת חשמל משנית גבוהה
2. גורם סיכון עולה לרעש מתח או זרם במוליך הראשי.
3. מתאים רק לזרם DC או בתדר נמוך.

חיישני Fluxgate משמשים בממירי שמש כדי לחוש את הזרם. מלבד זאת, ניתן לבצע בקלות מדידת זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם DC. שיטת חישה הנוכחית של שער השטף יכולה לשמש גם במדידת זרם דליפה, זיהוי זרם יתר וכו '.

שיטת חישה נוכחית של סליל רוגובסקי

סליל רוגובסקי נקרא על שמו של הפיזיקאי הגרמני וולטר רוגובסקי. סליל רוגובסקי מיוצר באמצעות סליל ליבת אוויר בצורת סליל ונכרך סביב המוליך הממוקד למדידת זרם.

בתמונה לעיל, סליל רוגובסקי מוצג עם מעגלים נוספים. המעגלים הנוספים הם מעגל אינטגרטור. סליל רוגובסקי מספק מתח יציאה בהתאם לקצב השינוי הנוכחי במוליך. מעגל אינטגרטור נוסף נדרש להכנת מתח יציאה שהוא פרופורציונלי לזרם.

יתרונות:

1. זוהי שיטה טובה לאיתור שינוי זרם בתדירות גבוהה במהירות.
2. פעולה בטוחה מבחינת הטיפול בפיתול המשני.
3. פתרון לואו קוסט.
4. גמישות בטיפול עקב בניית לולאה פתוחה.
5. פיצוי הטמפרטורה אינו מורכב.

חסרונות:

1. מתאים רק לזרם חילופין
2. בעל רגישות נמוכה מהשנאי הנוכחי.

סליל Rogowski יש מגוון רחב של יישומים. לדוגמא, מדידת זרם במודולי הספק גדולים, במיוחד על פני MOSFET או טרנזיסטורי הספק גבוה או על פני ה- IGBT. סליל רוגובסקי מספק אפשרות מדידה גמישה. מכיוון שהתגובה של סליל רוגובסקי מהירה מאוד על פני ארעיים או גלים סינוסיים בתדירות גבוהה, זו בחירה טובה למדוד ארעיות זרם בתדר גבוה בקווי החשמל. בהפצת חשמל או ברשת חכמה, סליל רוגובסקי מספק גמישות מצוינת למדידות זרם.

שנאי הנוכחי של חישת זרם

שנאי זרם או CT משמש לחישת הזרם על ידי מתח משני שהוא פרופורציונלי לזרם בסליל המשני. זהו שנאי תעשייתי הממיר את הערך הגדול של המתח או הזרם לערך קטן בהרבה בסליל המשני שלו. המדידה נלקחת על ידי התפוקה המשנית.

בתמונה לעיל, הבנייה מוצגת. זהו שנאי CT אידיאלי עם יחס ראשוני ומשני כ -1: N. ה- N תלוי במפרט השנאי. למידע נוסף על שנאים כאן.

יתרונות:

1. יכולת טיפול שוטפת גדולה יותר משאר השיטות המוצגות במאמר זה.
2. אין צורך במעגלים נוספים.

חסרונות:

1. דורש תחזוקה.
2. היסטריה מתרחשת עקב מגנטיזציה.
3. זרם ראשוני גבוה מרווה את חומרי ליבת הפריט.

השימוש העיקרי בטכניקת חישוב זרם מבוססת שנאי הוא ברשת החשמל בגלל יכולת מדידת זרם גבוהה מאוד. מעטים מהדקים מעטים משתמשים גם בשנאי זרם למדידת זרם חילופין.

שיטת חישה נוכחית נגד הנגד

זו השיטה הנפוצה ביותר בטכניקות החישה הנוכחיות. טכניקה זו מבוססת על חוק אוהם.

נגד בעל ערך נמוך בסדרה משמש לחישת הזרם. כאשר הזרם זורם דרך נגד בעל ערך נמוך, הוא מייצר הפרש מתח על פני הנגד.

בואו ניקח דוגמא.

נניח ש- 1A של זרם זורם דרך נגד 1 אוהם. בהתאם לחוק אוהם המתח שווה ערך להתנגדות x הנוכחית. לכן, כאשר זרם 1A של זרם דרך נגד 1 אוהם, הוא יפיק 1V על פני הנגד. הספק הנגד הוא גורם קריטי שיש לקחת בחשבון. עם זאת, ישנם נגדים בעלי ערך קטן מאוד זמינים גם בשוק, כאשר ההתנגדות היא בטווח מילי-אוהם. במקרה כזה, הפרש המתח על פני הנגד הוא גם קטן מאוד. מגבר בעל רווח גבוה נדרש להגדלת משרעת המתח ולבסוף, הזרם נמדד על בסיס חישוב הפוך.

גישה חלופית לסוג זה של טכניקת חישה נוכחית היא להשתמש במעקב PCB כנגד מחלף. מכיוון שמעקב הנחושת של PCB מציע התנגדות קטנה מאוד, ניתן להשתמש במעקב כדי למדוד את הזרם. עם זאת, בגישה אלטרנטיבית כזו, כמה תלות הן גם דאגה עצומה להשיג תוצאה מדויקת. הגורם העיקרי לשינוי המשחק הוא נסחף הטמפרטורה. בהתאם לטמפרטורה, עמידות העקבות משתנה וכתוצאה מכך תוצאת שגיאה. צריך לפצות על שגיאה זו ביישום.

יתרונות:

1. פתרון חסכוני מאוד
2. יכול לעבוד ב AC וב DC.
3. ציוד נוסף אינו נדרש.

חסרונות:

1. לא מתאים להפעלת זרם גבוה יותר בגלל פיזור חום.
2. מדידת שאנט מספקת ירידה מיותרת ביעילות המערכת עקב בזבוז האנרגיה על פני הנגד.
3. הסחף התרמי מספק תוצאת שגיאה ביישום בטמפרטורה גבוהה.

היישום של הנגד Shunt כולל מד מגבר דיגיטלי. זו שיטה מדויקת וזולה יותר פרט לחיישן האפקט הול. הנגד המחלף יכול גם לספק נתיב התנגדות נמוך ומאפשר לזרם חשמלי להעביר נקודה אחת לנקודה השנייה במעגל.

כיצד לבחור שיטת חישה נוכחית מתאימה?

בחירת השיטה המתאימה לחישה הנוכחית אינה דבר קשה. יש לקחת בחשבון כמה גורמים לבחירת השיטה הנכונה, כמו:

1. כמה דיוק נדרש?
2. מדידת DC או AC או שניהם?
3. כמה צריכת חשמל נדרשת?
4. מהו הטווח ורוחב הפס הנוכחי שיש למדוד?
5. תַמחִיר.

מלבד אלה, יש לקחת בחשבון גם רגישות מקובלת ודחיית הפרעות. מכיוון שלא ניתן להסתפק בכל גורם, חלק מההחלפות נועדו לפגוע בתכונה אחת עם השנייה, בהתאם לעדיפות דרישת היישום.