Huidige detectietechnieken met behulp van verschillende stroomsensoren

Stroom is een zeer kritische factor in elektronica of elektrotechniek. In de elektronica kan stroom een ​​bandbreedte hebben van enkele nano-ampères tot honderden ampère. Dit bereik kan in het elektrische domein veel groter zijn, meestal tot enkele duizenden ampère, vooral in elektriciteitsnetten. Er zijn verschillende methoden om stroom in een circuit of geleider te detecteren en te meten. In dit artikel bespreken we hoe we stroom kunnen meten met behulp van verschillende huidige sensortechnieken met hun voordelen, nadelen en toepassingen.

Hall Effect Sensor Huidige detectiemethode

Hall-effect is ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Edwin Herbert Hall en kan worden gebruikt om de stroom te voelen. Het wordt over het algemeen gebruikt om magnetisch veld te detecteren en kan nuttig zijn in veel toepassingen zoals snelheidsmeter, deuralarm, DIY BLDC.

Hall Effect-sensor produceert een uitgangsspanning die afhankelijk is van het magnetische veld. De verhouding van de uitgangsspanning is evenredig met het magnetische veld. Tijdens het stroomdetectieproces wordt de stroom gemeten door het magnetische veld te meten. De uitgangsspanning is erg laag en moet worden versterkt tot een bruikbare waarde door een versterker met hoge versterking en zeer lage ruis te gebruiken. Afgezien van het versterkercircuit heeft de Hall Effect-sensor extra schakelingen nodig omdat het een lineaire transducer is.

Voordelen:

1. Kan in hogere frequentie worden gebruikt.
2. Kan nauwkeurig worden gebruikt in zowel AC als DC.
3. Non-contact gebaseerde methode.
4. Kan gebruikt worden in een ruige omgeving.
5. Het is betrouwbaar.

Nadelen:

1. De sensor wijkt af en vereist compensatie.
2. Extra circuit vereist voor nuttige output.
3. Kostbaar dan op shunt gebaseerde techniek.

Hall Effect-sensoren worden zowel in stroomtangen als in veel industriële en automobielstroomdetectietoepassingen gebruikt. Veel soorten lineaire Hall-effectsensoren kunnen stroom detecteren van verschillende mili-ampère tot duizenden ampère. Hierdoor gebruikt Smart Grid Monitoring Application ook een ander type Hall-effectsensor om de geleiderstroom te bewaken.

Flux Gate Sensor Huidige detectiemethode

Een verzadigbare inductor is het belangrijkste onderdeel van de Fluxgate-detectietechniek. Daarom wordt de Fluxgate-sensor de Saturable Inductor Current Sensor genoemd. De inductorkern die wordt gebruikt voor de fluxgate-sensor werkt in het verzadigingsgebied. Het verzadigingsniveau van deze inductor is zeer gevoelig en elke interne of externe fluxdichtheid verandert het verzadigingsniveau van de inductor. De permeabiliteit van de kern is recht evenredig met het verzadigingsniveau, dus ook de inductantie verandert. Deze verandering in inductorwaarde wordt geanalyseerd door de fluxpoortsensor om de stroom te detecteren. Als de stroom hoog is, wordt de inductie lager, als de stroom laag is, wordt de inductie hoog.

De Hall Effect-sensor werkt op dezelfde manier als de fluxgate-sensor, maar er is één verschil tussen beide. Het verschil zit in het kernmateriaal. Flux Gate-sensor gebruikt een verzadigbare inductor, maar de Hall Effect-sensor gebruikt een luchtkern.

In de bovenstaande afbeelding wordt de basisconstructie van een fluxpoortsensor getoond. Er zijn twee primaire en secundaire spoelen gewikkeld rond een verzadigbare inductorkern. De veranderingen in de stroom kunnen de permeabiliteit van de kern veranderen, wat resulteert in een verandering van de inductantie over de andere spoel.

Voordelen:

1. Kan meten in een breed frequentiebereik.
2. Heeft een grote nauwkeurigheid.
3. Lage offset en afwijkingen.

Nadelen:

1. Hoog secundair stroomverbruik
2. Een risicofactor neemt toe voor spannings- of stroomruis in de primaire geleider.
3. Alleen geschikt voor DC of laagfrequente AC.

Fluxgate-sensoren worden gebruikt in Solar-omvormers om de stroom te detecteren. Anders dan dit, kunnen AC- en DC-stroommetingen met een gesloten lus eenvoudig worden uitgevoerd met behulp van Flux Gate-sensoren. Flux Gate-stroomdetectiemethode kan ook worden gebruikt bij lekstroommeting, overstroomdetectie enz.

Rogowski-spoelstroomdetectiemethode

Rogowski-spoel is vernoemd naar de Duitse natuurkundige Walter Rogowski. De Rogowski-spoel is gemaakt met behulp van een spiraalvormige luchtkernspoel en om de beoogde geleider gewikkeld voor stroommeting.

In de bovenstaande afbeelding wordt de Rogowski-spoel weergegeven met extra schakelingen. Het extra circuit is een integratorcircuit. Rogowski-spoel levert uitgangsspanning afhankelijk van de snelheid van stroomverandering in de geleider. Een extra integratorcircuit is nodig om een ​​uitgangsspanning te maken die evenredig is met de stroom.

Voordelen:

1. Het is een goede methode om snelle hoogfrequente stroomveranderingen te detecteren.
2. Veilige bediening in termen van het hanteren van de secundaire wikkeling.
3. Voordelige oplossing.
4. Flexibiliteit in hantering dankzij open lusconstructie.
5. Temperatuurcompensatie is niet complex.

Nadelen:

1. Alleen geschikt voor AC
2. Heeft een lage gevoeligheid dan de huidige transformator.

Rogowski-spoel heeft een breed scala aan toepassingen. Bijvoorbeeld het meten van stroom in grote vermogensmodules, vooral over de MOSFET's of krachtige transistors of over de IGBT. Rogowski-spoel biedt flexibele meetoptie. Aangezien de Rogowski-spoel zeer snel reageert op transiënten of hoogfrequente sinusvormige golven, is het een goede keuze om hoogfrequente stroomtransiënten in de hoogspanningslijnen te meten. In stroomdistributie of in smart grid biedt Rogowski-spoel een uitstekende flexibiliteit voor stroommetingen.

Huidige transformator Huidige detectiemethode

Stroomtransformator of CT wordt gebruikt om de stroom te detecteren door secundaire spanning die evenredig is met de stroom in de secundaire spoel. Het is een industriële transformator die de grote waarde van spanning of stroom omzet in een veel kleinere waarde in zijn secundaire spoel. De meting wordt uitgevoerd over de secundaire uitgang.

In de bovenstaande afbeelding is de constructie weergegeven. Het is een ideale CT-transformator met een primaire en secundaire verhouding van 1: N. De N is afhankelijk van de specificaties van de transformator. Lees hier meer over transformatoren.

Voordelen:

1. Grote huidige verwerkingscapaciteit, meer dan de andere methoden die in dit artikel worden getoond.
2. Geen extra schakelingen nodig.

Nadelen:

1. Onderhoud vereist.
2. Hysterese treedt op als gevolg van magnetisatie.
3. Hoge primaire stroom verzadigt de ferrietkernmaterialen.

Het belangrijkste gebruik van op een CT-transformator gebaseerde stroomdetectietechniek is in het elektriciteitsnet vanwege de zeer hoge stroommeetcapaciteit. Er zijn maar weinig stroomtangen die ook een stroomtransformator gebruiken voor het meten van wisselstroom.

Shuntweerstand Huidige detectiemethode

Dit is de meest gebruikte methode in de huidige detectietechnieken. Deze techniek is gebaseerd op de wet van Ohms.

Een laagwaardige weerstand in serie wordt gebruikt om de stroom te detecteren. Wanneer de stroom door een laagwaardige weerstand vloeit, produceert deze een spanningsverschil over de weerstand.

Laten we een voorbeeld nemen.

Stel dat er 1A stroom door een weerstand van 1 ohm vloeit. Volgens de wet van ohm is spanning gelijk aan stroom x weerstand. Daarom, wanneer 1A stroom door een weerstand van 1 ohm vloeit, zal deze 1V produceren over de weerstand. Het wattage van de weerstand is een kritische factor waarmee rekening moet worden gehouden. Er zijn echter ook zeer kleine weerstanden op de markt, waarbij de weerstand in het mili-ohm-bereik ligt. In zo'n geval is het spanningsverschil over de weerstand ook erg klein. Een versterker met hoge versterking is vereist om de amplitude van de spanning te vergroten en ten slotte wordt de stroom gemeten met behulp van de omgekeerde berekeningsbasis.

Een alternatieve benadering voor dit type stroomdetectietechniek is om het PCB-spoor als shuntweerstand te gebruiken. Omdat het koperen spoor van een PCB een zeer kleine weerstand biedt, kan men het spoor gebruiken om de stroom te meten. Bij een dergelijke alternatieve benadering zijn verschillende afhankelijkheden echter ook een grote zorg om een ​​nauwkeurig resultaat te krijgen. De belangrijkste factor die het spel verandert, is temperatuurdrift. Afhankelijk van de temperatuur verandert de spoorweerstand, wat resulteert in een foutresultaat. Deze fout moet in de applicatie worden gecompenseerd.

Voordelen:

1. Zeer kosteneffectieve oplossing
2. Kan werken in AC en DC.
3. Extra uitrusting niet vereist.

Nadelen:

1. Niet geschikt voor werking met hogere stroom vanwege warmteafvoer.
2. Shuntmeting zorgt voor een onnodige afname van het systeemrendement vanwege de energieverspilling over de weerstand.
3. Thermische drift zorgt voor een foutresultaat bij een toepassing op hoge temperatuur.

De toepassing van Shunt-weerstand omvat een digitale ampèremeter. Dit is een andere nauwkeurige en goedkopere methode dan de Hall Effect-sensor. De shuntweerstand kan ook een pad met een lage weerstand bieden en zorgt ervoor dat een elektrische stroom van het ene punt naar het andere punt in een circuit gaat.

Hoe de juiste huidige detectiemethode selecteren?

Het selecteren van de juiste methode voor stroomdetectie is niet moeilijk. Er zijn enkele factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van de juiste methode, zoals:

1. Hoeveel nauwkeurigheid is er nodig?
2. DC- of AC-meting of beide?
3. Hoeveel stroomverbruik is er nodig?
4. Wat is het huidige bereik en de te meten bandbreedte?
5. Kostprijsberekening.

Behalve deze, moet ook rekening worden gehouden met aanvaardbare gevoeligheid en onderdrukking van interferentie. Omdat niet aan elke factor kan worden voldaan, worden enkele afwegingen gemaakt om de ene functie met de andere in gevaar te brengen, afhankelijk van de prioriteit van de toepassingsvereisten.