Metody měření proudu pro přesnou výkonovou analýzu

Tento článek přibližuje základní metody pro měření elektrických proudů a jejich využití pro přesné stanovení výkonových charakteristik, a na základě toho následně představuje řešení japonského výrobce HIOKI.

Výkonové analyzátory, jak je obecně známo, mohou využívat pro měření proudu dva odlišné přístupy, a sice buď pomocí přímého připojení na vstupní svorky, anebo pomocí proudových senzorů.

Metoda přímého připojení využívá přímé propojenímezi měřeným zařízením a analyzátorem. Mezi výhody tohoto způsobu měření patří právě jednoduchost uspořádání a fakt, že k měření postačuje právě analyzátor bez dalšího vybavení. Na druhou stranu vzhledem k tomu, že měřicí přístroj musí být vložen do měřeného obvodu, objevují se určité nevýhody:

• podmínky měření jsou odlišné od těch, kdy přístroj není součástí obvodu,
• zvýšené ztráty v důsledku odporů (delších) měřicích vodičů,
• kapacitní vazba mezi jednotlivými měřicími vodiči a mezi vodiči a uzemněním, způsobující nárůst vysokofrekvenčních unikajících proudů.

Jinou otázkou je samotný princip měření při přímém zapojení; proud je obvykle měřen pomocí odporových bočníků, avšak právě to má za následek další komplikace:

• vznik tzv. Jouleova tepla při průchodu proudu vodičem (úměrné druhé mocnině procházejícího proudu) způsobuje odporové ztráty, přičemž zahřívání bočníku vede ke změně hodnoty odporu bočníku samotného, a tím dalšímu zhoršování přesnosti měření;
• k eliminaci výše uvedeného se proto používají bočníky s nízkým odporem. To ale přináší jedno zásadní omezení
•  jsou-li pomocí takového bočníku měřeny vyšší proudy, nesmí být zanedbána ani minimální hodnota induktivní složky, která výrazně degraduje frekvenční charakteristiky;
• oba tyto fyzikální jevy značně zhoršují přesnosti měření proudu a výkonu tímto způsobem, a vyžadují tak zvýšenou pozornost pro výběr samotné metody měření v závislosti na hodnotách očekávaných proudů.

Pro ilustraci je na obrázku 3 zobrazeno porovnání teplot při měření proudu 20 A, protékajícího 2mΩ odporovým bočníkem a proudovým senzorem HIOKI CT6862 (50 A). Teplota bočníku stoupá až k hodnotám okolo 50 °C, zatímco teplota proudového senzoru zůstává v podstatě beze změny. Obecně lze konstatovat, že metoda přímého připojení je vhodná pro měření proudů do řádově 1 A, kdy je hodnota vznikajícího Jouleova tepla dostatečně nízká na to, aby k těmto popisovaným problémům vůbec nedocházelo. Jako taková je tedy tato metoda vhodná např. pro měření výkonů elektronických zařízení ve stand-by režimu nebo spotřeby energie LED osvětlení.

Obr. 3 Porovnání teplot

Metoda proudových senzorů je metoda, která využívá připojení proudových senzorů na vodiče DUT a do výkonového analyzátoru je přiveden pouze výstupní signál (proudový nebo napěťový) ze senzorů. Tato metoda může být použita za provozu DUT i bez rozpojení obvodu, přičemž vzhledem k prakticky neměnné teplotě senzorů ani při průchodu vysokých proudů nedochází ke zhoršení přesnosti měření. Vhodnost této metody v porovnání s metodou přímého měření se udává jako výrazně lepší již od hodnot proudů okolo 5 A, a proto je obecně považována jako standard např. v oblasti výkonové elektroniky.

Velmi přesné měření proudu pomocí senzorů

Jak bylo uvedeno, pro měření proudů od 5 A výše jsou vhodnější měřicí senzory. Přes nesporné výhody je však pro dosažení maximální přesnosti měření nutno dodržovat určitá opatření:

• výběr vhodného senzoru, spočívající v ověření dvou základních faktorů:
• nominální proudová hodnota senzoru musí odpovídat maximální očekávané měřené hodnotě,
• všechny frekvenční složky měřeného proudu musí být v měřitelném frekvenčním rozsahu zvoleného senzoru.

Kromě toho by měření mělo předcházet rovněž ověření přesnosti senzorů v celém frekvenčním rozsahu, který by výrobcem senzoru měl být definován. Stejně tak by uživatel měl znát všechny druhy chyb, které do měření vstupují a mohou ho v určitých případech výrazným způsobem ovlivnit (např. výstupní šum, teplotní charakteristiky, vliv pozice vodiče procházejícího senzorem, efekty vnějšího magnetického pole apod.) a které by výrobce opět měl podrobně definovat. Častým případem však je, že charakteristiky senzorů jsou definovány pouze pro oblast DC a 50/60 Hz a zbývající frekvenční rozsah zůstává v jakési „šedé“ zóně.

Celková optimalizace měřicího systému je po výběru vhodného senzoru samozřejmě druhým nezbytným krokem, ani ty nejkvalitnější proudové senzory samy o sobě pochopitelně nezajistí požadovanou vysokou přesnost měření. Jinými slovy, i v případě, že měřený proud je detekován s velmi vysokou přesností, může dojít k jejímu nezanedbatelnému zhoršení, pokud je výstupní signál ze senzoru degradován ještě na cestě ke vstupnímu konektoru analyzátoru. Aby se degradaci výstupního signálu zamezilo, musí:

• být pro senzor použit velmi kvalitní napájecí zdroj – a tento je třeba řádně uzemnit,
• být vazební kapacita mezi vodiči navzájem a mezi vodiči a uzemněním co nejnižší, zároveň odolnost proti šumu co nejvyšší,
• proudové vstupy výkonového analyzátoru poskytovat příznivé frekvenční charakteristiky s co nejmenším zahříváním a co nejlepšími izolačními vlastnostmi (s vysokým CMRR a naopak nízkými unikajícími proudy). Analyzátor dále musí mít opět vysokou odolnost proti šumu a musí být řádně uzemněn.

Měřicí řetězec se tak v případě měření pomocí senzorů sestává ze samotných senzorů, napájecích zdrojů k senzorům a analyzátoru, ve většině případů dodávaných různými výrobci. Nadto vstupuje do výsledné sestavy (a tím přesnosti měření) funkční propojení těchto jednotlivých komponent, ponechané mnohdy zcela na uvážení uživatele, který měření provádí. Výsledkem těchto vstupních podmínek je, že zaručení definovaných hodnot přesnosti měření je pro jakoukoliv ze zúčastněných stran (výrobce senzorů, výrobce zdrojů, výrobce analyzátoru, uživatele...) velmi obtížně, ne-li přímo nemožné.

Společnost HIOKI nabízí řešení: jako jediný nezávislý výrobce na světě vyvíjí proudové senzory a výkonové analyzátory současně, takže dokáže zaručit definovanou vysokou přesnost v celém rozsahu měřených hodnot a stanoveného frekvenčního pásma. Měřicí sestava HIOKI pro velmi přesné měření elektrických výkonů sestává z:

• proudových senzorů (klešťových nebo průvlakových) s napěťovými výstupy,
• výkonových analyzátorů specificky navržených a optimalizovaných s napěťovými vstupy pro dedikované proudové senzory HIOKI,
• vestavěných napájecích zdrojů k senzorům; tyto jsou integrální součástí těla analyzátoru a mají identické vlastnosti jako ty, které jsou používány pro definování přesnosti senzorů.

Na základě této filozofie a současně výjimečného důrazu na detail při řešení i zdánlivě zanedbatelných aspektů při návrhu nových technologií společnost HIOKI dokáže nabídnout kompletní měřicí systém, splňující nejpřísnější kritéria, a to vše s garantovanou přesností a na všech definovaných rozsazích.

Značku HIOKI v České republice a na Slovensku zastupuje firma TESTOVACÍ TECHNIKA s. r. o. (www.teste.cz)