Návrh měření proudu pomocí bočníku, která zůstávají přesná

Bočník proudu převádí proud v obvodu na malé napětí, které může měřicí přístroj změřit. Principem je Ohmův zákon: proud procházející známým odporem vytváří úměrný úbytek napětí. Výzvou při návrhu je zvolit odpor dostatečně velký pro měření, ale zároveň dostatečně malý, aby nezpůsoboval nadměrné ztráty, zahřívání a ovlivnění zátěže.

Začněte požadavky na měření

Před výběrem hardwaru definujte minimální, běžný a maximální proud. Určete také, zda jde o stejnosměrný, střídavý nebo spínaný průběh; zda záleží na směru; požadovanou šířku pásma a přijatelnou celkovou chybu. Bočník dimenzovaný pouze na jmenovitý proud se může přehřát při rozběhu, brzdění nebo poruchových stavech.

Rozhodněte, jak bude výsledek použit. Monitorování energie může vyžadovat pomalejší odezvu než řízení motoru. Ochrana potřebuje známý čas detekce a rozsah poruchových stavů. Zkušební zařízení může vyžadovat obousměrné měření a galvanické oddělení od testovaného obvodu.

Zvolte odpor podle signálu a ztrát

Napětí na bočníku odpovídá vztahu V = I × R. Vyšší odpor vytváří větší signál a zlepšuje odstup od offsetu a šumu zesilovače. Zároveň však zvyšuje úbytek napětí a výkonové ztráty. Ztrátový výkon odpovídá vztahu P = I² × R, takže se zahřívání s rostoucím proudem rychle zvyšuje.

Vypočítejte úbytek napětí a ztrátový výkon při nejvyšším povoleném trvalém proudu. Poté vyhodnoťte dobu přetížení a tepelné zotavení. V technickém listu ověřte trvalé zatížení rezistoru, schopnost snášet impulzy, teplotní koeficient a podmínky montáže. Nepředpokládejte, že samotné označení vysokého příkonu určuje přesnost měření.

Zvolte umístění na horní nebo dolní straně

Bočník na dolní straně je umístěn mezi zátěží a návratem systému. Může zjednodušit požadavky na vstupní rozsah společného režimu zesilovače, ale přidané napětí mění potenciál zátěže vůči zemi. To může rušit další připojené signály nebo skrýt některé cesty zkratu na zem.

Bočník na horní straně je umístěn mezi napájením a zátěží. Zachovává zemní potenciál zátěže a může detekovat proud tekoucí do zkratované zátěže. Měřicí obvod musí snášet napětí společného režimu sběrnice. Doporučení společnosti Texas Instruments pro měření na horní straně zdůrazňuje výběr zesilovače, jehož vstupní rozsah a ochrana odpovídají této sběrnici.

Při měření fází střídače zvyšuje spínané napětí společného režimu a rychlé přechodové jevy nároky na umístění. Používejte součástky a návrhy desek určené pro danou topologii. Nekopírujte nízkonapěťový laboratorní obvod do výkonového měniče.

Používejte Kelvinovo připojení

Odpor vodičů a mědi může být srovnatelný s odporem bočníku o nízké hodnotě. Čtyřvodičové neboli Kelvinovo měření odděluje proudovou cestu od cesty snímání napětí. Veďte snímací spoje přímo ze stanovených snímacích bodů k diferenciálnímu vstupu. Udržujte je těsně u sebe a veďte je mimo spínané uzly.

Neodebírejte snímané napětí z libovolných míst podél přípojnice nebo výkonové cesty. Kontaktní odpor, pájené spoje a rozložení proudu se pak mohou stát součástí měření. Výsledná chyba se může měnit s teplotou, utahovacím momentem nebo stárnutím.

Sestavte rozpočet chyb

Zahrňte toleranci bočníku, teplotní koeficient, vlastní zahřívání, offset zesilovače, chybu zesílení, vliv vstupního klidového proudu, chybu reference, rozlišení ADC a šum. Při nízkém proudu často převládá offset. Při vysokém proudu může převládat zahřívání bočníku a chyba zesílení. Omezení šířky pásma může zkreslit krátké impulzy, i když jsou ustálené hodnoty přesné.

Odhadněte nárůst teploty bočníku při reprezentativním proudění vzduchu a podmínkách v krytu. Odpor se s teplotou mění a okolní zdroje tepla mohou posunout základní úroveň ještě před průchodem proudu. Pokud je důležitá přesnost v širokém rozsahu, nemusí kalibrace v jednom bodě stačit.

Chraňte měřicí řetězec

Bočník a zesilovač mohou být při chybách zapojení, indukčních jevech a poruchách vystaveny abnormálnímu napětí. Použijte vstupní filtraci a ochranu doporučenou pro zvolený zesilovač, aniž byste omezili požadovanou odezvu. Ověřte napěťové zatížení rezistorů i jejich výkonové zatížení.

Galvanické oddělení může být nutné, pokud je měřený obvod nebezpečný, má výrazně odlišný potenciál vůči zemi řídicí jednotky nebo se nachází uvnitř výkonového měniče. Strategie oddělení musí zahrnovat signál, napájení, povrchové vzdálenosti, vzdušné vzdálenosti a energii poruchy. Samotný diferenciální vstup nevytváří bezpečnostní izolační bariéru.

Uveďte zařízení do provozu pomocí řízených testů

Před zapnutím zkontrolujte polaritu, vedení Kelvinových spojů, izolační vzdálenosti a montáž bočníku. Pokud je to možné, začněte se zdrojem s omezením proudu. Porovnejte kanál bočníku s vhodným referenčním přístrojem při nulovém, nízkém, běžném a vysokém proudu. U obousměrných systémů testujte oba směry.

Nechte sestavu dosáhnout tepelné rovnováhy a měření zopakujte. Kanál, který je přesný za studena, může po několika minutách vykazovat drift. Zaznamenejte teplotu okolí, teplotu bočníku, referenční zařízení a nejistotu. Ověřte, že úbytek napětí neposune zátěž mimo její provozní rozsah.

Systematicky diagnostikujte chybné hodnoty

Konstantní chyba při nulovém proudu naznačuje offset, vstupní klidový proud, posun zemního potenciálu nebo kalibraci. Chyba úměrná proudu naznačuje chybu odporu nebo zesílení. Drift v čase naznačuje zahřívání. Šum synchronizovaný se spínáním PWM poukazuje na vazbu přes společný režim, návrh desky nebo šířku pásma. Náhlá změna po údržbě může znamenat uvolněný výkonový spoj nebo poškozené snímací připojení.

Měřte napětí přímo mezi skutečnými Kelvinovými body a porovnejte je s digitalizovaným výsledkem. Tím oddělíte problémy bočníku a výkonové cesty od problémů zesilovače, ADC a škálování v softwaru. Hardwarovou poruchu se nesnažte opravovat nevysvětleným softwarovým koeficientem.

Dokumentujte měření jako kompletní měřicí smyčku

Zaznamenejte hodnotu bočníku, toleranci, teplotní chování, rozsah proudu, zesílení zesilovače, rovnici škálování, nastavení filtru a výsledky kalibrace. U šroubovaných spojů s vysokým proudem definujte intervaly kontrol. Při výměně bočníku dodržte elektrické i mechanické požadavky.

Související měřicí hardware si můžete prohlédnout v kolekcích Procesní převodníky a DCS a řídicí systémy. Rovnice návrhu a kompromisy při umístění najdete v aplikační příručce společnosti Texas Instruments k měření proudu na horní straně. Dobrý kanál s bočníkem je kompletní signálový řetězec, nikoli jen rezistor přidaný do vodiče.