Proudové senzory s uzavřenou smyčkou překvapí vlastnostmi i cenou

Galvanicky oddělené senzory proudu při své činnosti využívají řadu různých technologií. Setkáváme se tak s jednoduchými součástkami pracujícími v otevřené smyčce a založenými na Hallových článcích, ale též se složitými čidly provozovanými v uzavřené smyčce, které na pozici magneticky citlivého prvku využijí technologie fluxgate (viz např. [1]).

S vyšší přesností se u komplikovanějších typů obvodů pojí též rostoucí cena. Pro každou rodinu spojenou s konkrétní technologií představuje její další vývoj náročný úkol, při kterém bude potřeba dosáhnout lepších parametrů a neohrozit přitom výhodnou cenovou hladinu provázanou s daným návrhem. V textu dále popíšeme nové senzory pracující v uzavřené smyčce a vystavěné na Hallově sondě. Výrobce je řeší formou zákaznického obvodu typu ASIC a vyhrazuje nižším proudům se jmenovitou úrovní od 1,5 A až do 50 A. Způsobem provedení jsou určeny k osazení na desku plošných spojů, přičemž vlastnostmi budou srovnatelné s čidly využívajícími technologii fluxgate. Nechybí zde ani moderní výrobní postupy a nové senzory tak dosahují nejvyšších úrovní kvality, včetně podpory zpětné dohledatelnosti.

Nové pojetí senzoru

Nejjednoduššími proudovými čidly rozumíme obvody s otevřenou smyčkou, ve kterých bude snímáno a zesilováno magnetické pole odvozené od primárního proudu. Provází je však slabiny jakéhokoli systému s takto navrženou smyčkou, zvláště když zde nemáme stabilní zpětnovazební síť vymezující jejich citlivost.

Prvky s uzavřenou smyčkou jsou mnohem složitější. Primární magnetické pole se zde vyruší sekundárním proudem v cívce s N závity a můžeme tak počítat s lepšími vlastnostmi. Citlivost je definována hodnotou N, takže dostáváme přesné a stabilní výstupy. Od kmitočtu několika kHz výše již vliv transformátoru převáží nad zpětnovazební smyčkou a skutečná šířka pásma tak bude mnohem větší než v případě šumu. Vzhledem k tomu, že pokaždé pracujeme s nulovým magnetickým polem, dostáváme již z principu dobrou linearitu. Velmi rychlá bude rovněž odezva spojená s transformátorem.

Abychom konečně vyhověli nejnovějším generacím senzorů, dochází s využitím precizního a stabilního měřicího rezistoru, následovaného zesilovačem vztaženým k napětí V_REF ke zpětnému převodu sekundárního proudu na napětí V_OUT.

Nejjednodušší čidla pracující v uzavřené smyčce využívají na pozici magneticky citlivé součásti Hallových článků. Můžeme počítat s výhodami popsanými výše, ale také jednou slabostí, napěťovým offsetem (V_OUT – V_REF, spolu s nulovým primárním proudem) a také jeho driftem. Vývojáři požadující rozumný offset zase tíhnou k senzorům založeným na technologii fluxgate. Takové prvky však mají více součástek a budou i dražší.

V článku se tak postupně dostáváme k nové rodině kompaktních proudových senzorů LEM s uzavřenou smyčkou, u kterých se výrobce s nevýhodou Hallových sond vypořádal. Ve většině parametrů se tak mohou vyrovnat malým čidlům typu fluxgate. Jádro nových součástek tvoří speciálně navržený a exkluzivně vlastněný obvod ASIC s vestavěnými Hallovými články a následujícími vlastnostmi:

• nové, patentově chráněné uspořádání několika Hallových sond ve zcela symetrickém návrhu spojeném s prvními stupni zesilovače.
• systém využívá důmyslných postupů k potlačení offsetu ve všech elektronických blocích řídicí smyčky generující sekundární proud, stejně jako u zesilovače zajišťujícího V_OUT,
• součástí je rovněž vestavěná paměť a během výroby každého senzoru tak lze změřit jakýkoli zbytkový offset, případně i další nedostatky, a vzniklou opravu zaznamenat.

Výsledkem se tak stává skupina čidel, jejichž offset bude v závislosti na citlivosti obvodu „ujíždět“ v rozsahu od 4 až do 14 ppm/°C (v tomto článku se jednotka ppm vztahuje k napětí 2,5 V, středovému bodu měřicího rozsahu s 5V napájením). To je více než čtyřnásobné zlepšení oproti předchozí generaci senzorů s uzavřenou smyčkou, založených na Hallových sondách, a velmi podobný výsledek, uvážíme-li struktury s technologií fluxgate. V rámci nového ASIC se našel prostor také pro velmi rychlou detekci nadproudů. Bude tak indikováno, že měřený proud překračuje očekávanou hodnotu nebo při zkratu rovnou dochází k vypnutí napájení.

Rodina obvodů

Kompletní přehled nové rodiny senzorů LEM zachycuje tabulka 1. Dřívější série čidel CAS, CASR a CKSR stavěly na technologii fluxgate, zatímco LTS(R) na Hallových článcích. Novinky pak ve všech případech využijí posledně zmíněného přístupu. Elektrické vlastnosti 25A senzorů shrnuje tabulka 2. Také zde jasně vidíme, že se charakteristiky nových obvodů LKSR 25-NP podobají modelům CKSR 25-NP (fluxgate) a ve srovnání s dřívějšími verzemi LTSR 25-NP založenými na Hallově jevu dokonce dochází k výraznému pokroku. To je také nejpatrnější v případě driftu (V_OUT – V_REF) za předpokladu IP = 0 (offset drift). Pro 25A senzory se jedná takřka o desetinásobně lepší výsledky.

Pod kontrolou již od výroby

Již od začátku byla filozofie výrobního procesu nové rodiny plánována tak, aby obvody v plné míře vyhověly požadavkům automobilového průmyslu. Byly rovněž navrženy jako autonomní s ohledem na definici „Průmyslu 4.0“. Kvalitní návrh si můžeme ilustrovat na příkladu dvou sekundárních cívek vinutých v sérii pro dosažení nejlepších možných vf vlastností. Speciální postup během vinutí, který je navíc úsporný i z hlediska časové náročnosti, pak mezi nimi zabrání jakýmkoli pájeným spojům. Stejně tak zde nenajdeme ani jediný pájený spoj mezi cívkou a vnitřní deskou plošného spoje. Pouze kontakty řešené technologií press-fit.

Každé čidlo je samostatně kalibrováno, zatímco se citlivé úpravy zapisují v rámci ASIC do paměti typu OTP. Podobně se rovněž ukládá jedinečné ID a každý jednotlivý obvod ASIC tak lze spolu s jeho historií zpětně dohledat. V plné míře to bude také platit o pasivních součástkách.

Názorně i v extrémech

Kompletní technický popis rodiny nových proudových senzorů byl proveden s ohledem na veškeré nejzazší meze provozních podmínek. Příklad závislosti napěťového offsetu na teplotě vidíme pro prvky LKSR 25-NP na obr. 1. Offset „ujíždí“ o méně než 4 μV/°C, drift je tedy vypočítán a v případě zmiňovaných čidel nepřesahuje velikost 1,6 ppm/°C (tabulkový limit zde přitom činí 4 ppm/°C).

Sledujeme nadproudy

K monitorování sekundárního proudu senzoru slouží systém OCD (Over- Current Detection). Lze tak dosáhnout rychlejší odezvy než na výstupu čidla. Vzhledem k tomu, že řídicí smyčka pro generování sekundárního proudu nebude dále omezována napájecím napětím 5 V, lze hladinu spouštění OCD definovat mimo měřicí rozsah senzoru. Prahová úroveň pro detekci OCD může být nastavena mezi 1,25 až 5násobkem IPN. Ke spouštění pak dochází jak v případě kladných, tak též záporných nadproudů, přičemž výchozí hodnotu zde tvoří 4,1násobek IPN.

Časové průběhy spojené s OCD zachycuje obr. 2. Konkrétní typickou podobu nových senzorů pak vidíme na obr. 3.

Závěr

V textu byly popsány nové senzory proudu s Hallovou sondou pracující v uzavřené smyčce. Mimořádných vlastností čidel s technologií fluxgate tak lze dosáhnout bez nutnosti mimořádného zvyšování ceny. Snímače budou vhodné zejména pro aplikace s důrazem na minimální ujíždění offsetu, např. v solárních systémech napájení se střídavým výstupem, jejichž standardy si u výstupního proudu žádají velmi malou stejnosměrnou složku. Nízký drift stejně tak otevírá prostor řadě servo aplikací. Za své solidní vlastnosti vděčí nové senzory obvodům ASIC, které pro ně byly speciálně navržené, a také moderním výrobním procesům s důrazem na vysokou kvalitu.