Новые компенсационные датчики тока — достижение отличных характеристик без увеличения затрат

Введение

Изолированные датчики тока построены на использовании магнитных систем различных технологий, начиная с простых датчиков прямого усиления на эффекте Холла и заканчивая сложными компенсационными датчиками с феррозондовым магниточувствительным элементом. Чем выше точность датчика и сложнее применяемая технология, тем выше его стоимость. Для каждой из используемых технологий задачей при разработке новой серии датчиков является достижение лучших параметров, не выходя при этом из рамок стоимости, обусловленной данной технологией. В статье описаны новые компенсационные датчики на небольшие токи от 1,5 до 50 А для монтажа на печатную плату, на эффекте Холла, с применением специализированной микросхемы ASIC. Их параметры близки к параметрам феррозондовых датчиков. Также была разработана новая современная технологическая линия для их производства, так что новые датчики отвечают высочайшим стандартам качества и повторяемостью характеристик.

Концепция новых датчиков

Простейшие датчики тока представляют собой датчики прямого усиления, в которых магнитное поле от первичного тока считывается и усиливается; им присущи недостатки любых систем прямого усиления, и особенно — отсутствие стабилизирующей цепи обратной связи, жестко задающей чувствительность.

Компенсационные датчики являются более сложными, но в них есть компенсация первичного магнитного потока с помощью вторичной обмотки, имеющей N витков. Таким образом, у них лучшие параметры: чувствительность жестко задана числом витков N и поэтому является точной и стабильной величиной; на частотах свыше нескольких килогерц датчик начинает работать как трансформатор тока, поэтому у него шире частотный диапазон; благодаря тому, что магнитная система датчика работает при близких к нулю магнитных полях, он имеет значительно лучшую линейность. Быстродействие (время отклика) благодаря трансформаторному эффекту также значительно лучше.

Для удобства в большинстве серий датчиков последнего поколения реализован выход по напряжению, при этом выходной ток преобразуется в выходное напряжение V_OUT с помощью прецизионного измерительного резистора и последующего усилительного каскада, с использованием опорного напряжения V_REF.

В простейшем варианте в компенсационных датчиках в качестве магниточувствительного элемента используется элемент Холла. При этом такие датчики имеют все описанные выше преимущества компенсационных датчиков, но у такого решения есть и недостаток: начальное выходное напряжение (V_OUT–V_REF при отсутствии тока на входе) и его дрейф. Потребители, которым требуются датчики с низким начальным выходным напряжением и его дрейфом, предпочитают использовать датчики на феррозондовой технологии, но они сложнее и дороже.

Как уже говорилось выше, в новой серии компактных компенсационных датчиков тока LEM недостатки, присущие «холловским» датчикам, преодолены и достигнуты основные параметры, присущие датчикам, построенным по феррозондовой технологии.

Сердцем новых датчиков является эксклюзивная специализированная микросхема ASIC с интегрированными элементами Холла, имеющая следующие особенности:

• применение новой патентованной симметричной топологии матриц элементов Холла, интегрированной с первым каскадом усиления;
• использование сложной методики компенсации начального смещения во всех электронных блоках, входящих в контур формирования выходного тока, а также в выходном усилителе напряжения V_OUT;
• использование встроенной памяти для измерения и последующей компенсации начального смещения и других отклонений для каждого конкретного датчика на этапе его производства.

В результате появилась серия датчиков с дрейфом смещения в диапазоне 4–14 ppm/°С, в зависимости от чувствительности датчика.

Это более чем в четыре раза меньше, чем у предыдущего поколения компенсационных «холловских» датчиков, и очень близко к параметрам феррозондовых датчиков.

В новом ASIC появилась возможность встроить быстродействующий детектор тока перегрузки, который позволяет увидеть, когда измеряемый ток превышает заданный порог, или отключить питание в случае короткого замыкания.

Датчики новой серии

Таблица 1 дает преставление обо всех датчиках, входящих в новую серию LEM.

В предыдущих сериях (CAS, CASR и CKSR) использована феррозондовая технология, а LTS(R) — «холловский». Все новые серии основаны на эффекте Холла.

В таблице 2 приведены электрические параметры датчиков на 25 A.

Примечание: * I_PN — это номинальный ток, 25 А для данной модели

Согласно данным таблицы 2, параметры нового LKSR 25-NP схожи с параметрами феррозондового CKSR 25-NP и значительно лучше параметров LTSR 25-NP предыдущего поколения на эффекте Холла. Наиболее значительно улучшен такой параметр, как начальное выходное напряжение V_OUT–V_REF при I_P = 0 (и его дрейф). Для 25-A датчиков этот параметр улучшен почти в 10 раз.

Производство

С самого начала философия производственного процесса новой серии задумывалась как полностью автоматизированная, полностью автономная, на основе концепции Industry 4.0.

С целью повышения качества применены две последовательно соединенные вторичные катушки, для получения лучших частотных характеристик, использована специальная технология намотки катушек, позволяющая экономить время производства и исключающая паяные соединения двух катушек. Также отсутствуют паяные соединения между катушкой и печатной платой датчика, использовались только соединения методом запрессовки. Каждый датчик калибруется индивидуально, и параметры настройки чувствительности записываются в однократно программируемую память в ASIC. Также в память заносится уникальный ID-номер: историю каждой микросхемы ASIC можно проследить. Пассивные компоненты прослеживаются на уровне партии.

Квалификационные испытания

Полные квалификационные испытания новой серии выполняются с учетом всех экстремальных условий эксплуатации. В качестве примера на рис. 1 показаны измерения температурного дрейфа начального выходного напряжения для LKSR 25-NP. Измерения показали, что дрейф составляет менее 4 мкВ/°C, что эквивалентно менее 1,6 ppm/°C (по спецификации не более 4 ppm/°C).

Рис 1. Пример испытаний: дрейф начального выходного напряжения для модели LKSR 25-NP

Детектор перегрузки по току (OCD)

Система OCD мониторит выходной ток датчика. За счет этого достигнуто лучшее время отклика по сравнению со снятием сигнала с выхода датчика и, так как контур формирования выходного тока не ограничен напряжением питания 5 В, это позволяет задавать порог срабатывания OCD-триггера по уровню выше, чем диапазон измерения датчика. Порог срабатывания OCD может быть задан между 1,25x и 5x I_PN. Детектор реагирует как на положительные, так и на отрицательные токи перегрузки. По умолчанию порог принят равным 2,9× I_PN.

На рис. 2 приведены временные диаграммы OCD.

Рис. 2. Время отклика OCD-триггера tr составляет 2,2 мкс максимум, а время удержания thold составляет 1 мс

На рис. 3 показано, как выглядят датчики новой серии.

Рис. 3. Новая серия датчиков: LES, LESR, LXS, LXSR, LKSR, LPSR

Выводы

Представленная в статье новая серия компенсационных датчиков на эффекте Холла обеспечивает прирост параметров до уровня феррозондовых датчиков, но при этом без увеличения стоимости. Они особенно подойдут для применений, где важно иметь низкий дрейф начального выходного напряжения, как, например, в выходном AC-инверторе установок на солнечных батареях, где стандарты требуют очень низкую величину DC-составляющей в выходном токе. Также это открывает новые применения в сервоприводах моторов. Выдающиеся характеристики этих датчиков были достигнуты за счет специально разработанной для них ASIC в сочетании с передовой и высококачественной технологией производства.