Новые компенсационные датчики тока — достижение отличных характеристик без увеличения затрат

№ 5’2017
PDF версия
Компенсационные датчики тока на эффекте Холла, при всех своих достоинствах, обладают и присущими «холловским» датчикам недостатками. В статье описана новая серия компактных компенсационных датчиков тока LEM на эффекте Холла, в которых, благодаря примененным новым технологическим решениям, эти недостатки были преодолены

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 VOUT с помощью прецизионного измерительного резистора и последующего усилительного каскада, с использованием опорного напряжения VREF.

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 (VOUT–VREF 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 VOUT;
  • 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.

Таблица 1. Соответствие датчиков новой серии датчикам предыдущих серий

Старый дизайн

Старое обозначение

Новый дизайн

Новое обозначение

Вторичные выводы

Длина пути тока утечки и воздушный зазор, мм

Диапазон рабочих температур, °С

CAS 6-NP

LES 6-NP

+5 В

GND

Vout

dcl 7,7

dcp 7,7

–40…+105

CAS 15-NP

LES 15-NP

CAS 25-NP

LES 25-NP

CAS 50-NP

LES 50-NP

CASR 6-NP

LESR 6-NP

+5 В

GND

Vout

Vref

dcl 7,55

dcp 7,55

CASR 15-NP

LESR 15-NP

CASR 25-NP

LESR 25-NP

CASR 50-NP

LESR 50-NP

CKSR 6-NP

LKSR 6-NP

+5 В

GND

Vout

Vref

dcl 9,9

dcp 9,9

CKSR 15-NP

LKSR 15-NP

CKSR 25-NP

LKSR 25-NP

CKSR 50-NP

LKSR 50-NP

 

нет

LPSR 6-NP

+5 В

GND

Vout

Vref

OCD

dcl 9,5

dcp 9,5

нет

LPSR 15-NP

нет

LPSR 25-NP

нет

LPSR 50-NP

LTS 6-NP

LXS 6-NPS

+5 В

GND

Vout

dcl 7,7

dcp 7,7

–40…+85

LTS 15-NP

LXS 15-NPS

LTS 25-NP

LXS 25-NPS

LTSR 6-NP

LXSR 6-NPS

+5 В

GND

Vout

Vref

dcl 7,55

dcp 7,55

LTR 15-NP

LXR 15-NPS

LTSR 25-NP

LXSR 25-NPS

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.

Таблица 2. Отличные характеристики новых датчиков на примере LKSR 25-NP

 

LTSR 25-NP (старые на эффекте Холла)

CKSR 25-NP (феррозондовые)

LKSR 25-NP (новые на эффекте Холла)

Погрешность чувствительности, %

±0,6

±0,7

±0,2

Коэффициент температурного дрейфа чувствительности, ppm/°С

±50

±40

±40

Начальное выходное напряжение, мВ

25

1,4

1

Ток магнитного смещения (мА) после перегрузки 10×IPN* (приведенный ко входу)

80

100

90

Опорное напряжение VREF@IP = 0, В

2,475–2,5252

2,495–2,505

2,485–2,515

Температурный коэффициент VREF@IP = 0, ppm/°С (при 2,5 В)

±100

±50

±100

Температурный коэффициент VOUT–VREF@IP = 0, ppm/°С (при 2,5 В)

±37,5

±4

±4

Погрешность нелинейности, %

±0,1

Время реакции @10% от IPN, нс

100

300

300

Время отклика до 90% IPN step, нс

400

300

400

Общая погрешность при @+25 °С, % от IPN

0,7

1

0,8

Общая погрешность при @TA = +85 °С, % от IPN

1,9

1,35

1

Общая погрешность при @TA = +105 °С, % от IPN

Нет

1,45

1,2

Примечание: * IPN — 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 VOUTVREF при IP = 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).

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

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 IPN. Детектор реагирует как на положительные, так и на отрицательные токи перегрузки. По умолчанию порог принят равным 2,9× IPN.

На рис. 2 приведены временные диаграммы OCD.

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

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.

Новая серия датчиков: LES, LESR, LXS, LXSR, LKSR, LPSR

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *