Датчики тока с дополнительными интеллектуальными функциями

Рис. 1. Датчики тока прямого усиления на эффекте Холла серии HO, в которых применена специализированная ИС нового поколения:
а) HO xx-NP и -NPPR (для монтажа в сквозные отверстия);
б) HO xx-NSM и -NSMPR (для поверхностного монтажа)

Любой менеджер по логистике оценит комплектующее изделие, которое закрывает сразу несколько позиций в перечне деталей, — например, датчик тока с несколькими диапазонами и несколькими значениями времени отклика и внутреннего опорного напряжения, которые может выбрать пользователь с помощью программирования. Инженеры компании LEM задались целью обеспечить подобную гибкость в своей новейшей разработке. В частности, при проектировании новой серии датчиков тока стояла задача оптимизировать стоимость, уменьшить размеры и улучшить характеристики этих компонентов в соответствии с текущими тенденциями на рынке силовой электроники. Особое внимание было уделено разработке новой специализированной ИС (ASIC), которая помогала бы в достижении перечисленных целей. Плодом усилий конструкторов стала специализированная ИС нового поколения для датчиков тока прямого усиления на эффекте Холла. Эта ИС вкупе с новым конструктивным исполнением механической части была применена в новой серии HO датчиков тока.

Датчики серии HO (рис. 1) обеспечивают измерение действующих значений тока в номинальном диапазоне 8–25 А, а также наделены дополнительными функциями, такими как обнаружение перегрузки по току (Over Current Detection, OCD) и программирование ряда рабочих параметров (коэффициент усиления, время отклика, опорное напряжение и порог обнаружения перегрузки по току).

Принцип работы

Датчики тока прямого усиления — простейший вариант датчиков на эффекте Холла (рис. 2). Они имеют наименьшие размеры, вес и стоимость при очень низком энергопотреблении. Ток, протекающий в проводнике, создает вокруг него магнитное поле. Это поле концентрируется в ферромагнитном сердечнике. Сердечник имеет зазор, в котором располагается элемент Холла, чувствительный к плотности магнитного потока в зазоре. Выходной сигнал элемента Холла преобразуется таким образом, чтобы он был в точности пропорционален величине тока в проводнике.

Рис. 2. Принцип работы датчика тока прямого усиления на эффекте Холла

Новые интерактивные интеллектуальные датчики тока прямого усиления серии HO
с применением специализированной ИС нового поколения

Рис. 3. Кристалл новой специализированной ИС — интегрального датчика тока прямого усиления на эффекте Холла

Во многих областях электроники, где есть потребность в миниатюризации и удешевлении компонентов при одновременном повышении точности и надежности их работы, ключом к удовлетворению этой потребности служит интеграция. Если не существует серийно выпускаемых интегральных схем, отвечающих предъявляемым требованиям, приходится разрабатывать специализированные ИС, объединяющие на одном кристалле все дискретные цепи преобразователя [1]. Преимущества специализированной ИС в части миниатюризации очевидны. Трудность заключается в том, чтобы по максимуму использовать возможности такой ИС для повышения точности.

Перед компанией LEM стояла цель как минимум вдвое улучшить важнейшие параметры по сравнению с датчиками предыдущего поколения, и эта цель была достигнута. Конечная конфигурация устройства может быть выбрана в любой момент, в том числе и конечным пользователем готового изделия.

Фотография кристалла специализированной ИС нового поколения HG2 приведена на рис. 3. В центре кристалла можно видеть восемь ячеек Холла, расположенных в оптимальном симметричном порядке, позволяющем достичь требуемых улучшений в измерительных характеристиках.

Серия HO

Устройства этой серии предназначены для измерения действующего значения тока в номинальном диапазоне 2,67–25 А и имеют девять диапазонов токов, которые можно выбирать программным (цифровым) или схемным способом. Их основные преимущества:

• три программируемых диапазона действующих значений тока — 8, 15 и 25 А (по умолчанию выбран диапазон 25 А);
• множество программируемых функций, в том числе режим низкого энергопотребления, режим ожидания и управление ЭСППЗУ (EEPROM);
• питание от однополярного источника напряжением +3,3 или +5 В (две различные модификации датчика HO);
• дрейф смещения и коэффициента усиления вдвое ниже, чем у датчиков предыдущего поколения;
• программируемая функция OCD с отдельным выходом (до 5×I_PN, где I_PN — номинальное значение первичного тока);
• программируемое время отклика (2–6 мкс), устанавливаемое путем выбора соответствующего выходного фильтра;
• четыре программируемых значения внутреннего опорного напряжения — 2,5, 1,65, 1,5 или 0,5 В;
• внешний доступ к источнику опорного напряжения;
• диапазон измерения до 2,5×I_PN;
• диапазон рабочих температур –40…+115 °C;
• высокая точность измерения при +25 °C (1% от I_PN) и +85 °C (2,8% от I_PN);
• длина пути утечки и воздушный зазор 8 мм, сравнительный индекс трекингостойкости (CTI) 600;
• габариты 12×23×12 мм (Ш×Д×В);
• корпуса для монтажа в сквозных отверстиях и поверхностного монтажа.

Рис. 4. Схемы включения для получения различного количества витков первичной обмотки

В новой специализированной ИС имеются ячейки памяти с тремя записанными в них значениями чувствительности, которые можно выбирать в любой момент времени. Кроме того, в датчиках серии HO первичный ток протекает по трем шинам, которые могут соединяться параллельно или последовательно для выбора трех номинальных диапазонов измерения. Комбинации этих вариантов дают в общей сложности девять диапазонов измерения, которые обеспечивает одно изделие. В таблице 1 показаны всевозможные диапазоны измерения для модели HO 25-NPPR с различными схемами включения (рис. 4) первичных шин.

Столь высокая степень программной управляемости и гибкости серии HO позволяет проектировщикам использовать один и тот же компонент в цепях самой разной конфигурации, за счет чего упрощается конструкция и сокращается номенклатура комплектующих изделий, которые необходимо держать на складе. Специалистам по логистике теперь достаточно будет одного артикула вместо девяти, а ЭСППЗУ специализированной ИС можно многократно перезаписывать по мере необходимости.

Температурный дрейф смещения и коэффициента усиления снижен в новых датчиках вдвое по сравнению с датчиками на базе ИС предшествующего поколения. С ростом температуры на 50 °C максимальный дрейф смещения составляет 0,5% от номинального значения. Дрейф коэффициента усиления, выраженный в процентах от измеренного значения, достигает в худшем случае 1,0%. Для датчиков тока прямого усиления на эффекте Холла это великолепные характеристики. В достижении такого уровня точности первостепенную роль играет специализированная ИС. Каждая из этих ИС испытывается сначала при экстремально низких и высоких температурах, а в завершение — при комнатной температуре: это позволяет измерить дрейф коэффициента усиления и смещения и сохранить поправочные коэффициенты в ЭСППЗУ устройства. Во время работы эти данные используются совместно с результатами внутреннего измерения температуры: на выходах аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) вырабатываются точные значения аналоговых поправок для компенсации дрейфа коэффициента усиления и смещения, который неизбежен в полупроводниковых приборах, изготовленных по стандартному технологическому процессу.

Рис. 5. Работа функции обнаружения перегрузки по току

Еще один параметр датчиков серии HO, который может настраиваться пользователем, — это время отклика на входной переходный процесс с высокой скоростью нарастания тока (di/dt). Пользователь может устанавливать это значение в диапазоне 2–6 мкс в зависимости от частоты среза внутреннего противопомехового фильтра. Частоте среза 600 кГц соответствует время отклика менее 2 мкс, 250 кГц — менее 3,5 мкс, а 100 кГц — менее 6 мкс.

Новой функцией этой специализированной ИС является OCD. Сигнал перегрузки по току выводится на специальный вывод датчика, и пользователь может программно установить одно из 16 дискретных значений порога обнаружения вплоть до 5,2×I_PN. Выход OCD срабатывает с установлением на нем низкого уровня (0 В) вместо высокого (5 В) в течение 2 мкс после того, как входной ток превысит запрограммированный порог. Порог OCD определяется с точностью 10%. При необходимости пользователь может задать минимальную длительность импульса на выходе OCD равной 1 мс, чтобы короткие перегрузки также могли регистрироваться внешним микроконтроллером. Осциллограммы сигнала на выходе OCD, выходного напряжения V_out преобразователя и первичного тока приведены на рис. 5.

Обнаружение перегрузки по току реализовано отдельно от основной функции измерения тока. Использовать один и тот же диапазон для OCD и измерений нецелесообразно: если, например, установленный порог обнаружения впятеро превышает номинальный верхний предел шкалы, то диапазон измерения должен простираться до самого этого порога, но тогда снижается точность в номинальном диапазоне. Отдельная схема OCD с программируемым порогом срабатывания обеспечивает максимальное разрешение при измерении вплоть до номинального верхнего предела шкалы.

Выходной сигнал датчика серии HO представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное входному току. В большинстве систем этот сигнал переводится в цифровую форму АЦП, для работы которого необходимо опорное напряжение. Датчик тока серии HO компании LEM позволяет программно выбрать один из четырех уровней опорного напряжения (0,5; 1,5; 1,65 или 2,5 В), которое выводится на специальный контакт. Эти уровни подходят для АЦП с номинальным напряжением 3,3 В. Вместо этого можно также настроить датчик для измерений с использованием внешнего источника опорного напряжения от 0,5 до 2,65 В. Внешнее опорное напряжение 0,5 В обеспечивает более широкий диапазон при однополярном измерении. В этом режиме работы производится измерение только одной полуволны входного тока (положительной или отрицательной).

Еще один программируемый пользователем параметр — это возможность отключения внутреннего источника опорного напряжения: его можно полностью отключить, чтобы снизить общее энергопотребление датчика при использовании внешнего источника опорного напряжения, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Подключение измерительного выхода и выхода опорного напряжения датчика HO к последующему каскаду;
внутренний источник опорного напряжения VREF можно программно отключить для снижения энергопотребления

К другим программируемым функциям относятся режим ожидания (позволяющий снизить энергопотребление, когда все изделие находится в режиме ожидания) и доступ к ЭСППЗУ специализированной ИС для проверки правильности загрузки данных при программировании.

Для программирования датчик HO подключается к микроконтроллеру: когда на контакте V_REF датчика принудительно устанавливается напряжение питания, измерительный выход становится портом ввода/вывода однопровод­ной шины интерфейса. По этому интерфейсу последовательно передаются данные в виде 12-разрядных слов, в которых закодированы настройки датчика, в том числе диапазон, внутреннее опорное напряжение и порог OCD. Скорость передачи данных равна 10 кбит/с, и программирование длится несколько сотен миллисекунд. Датчик HO можно перепрограммировать в любое время — даже в процессе работы в готовом изделии.

В таблице 2 приведены ключевые параметры датчика HO 25-NPPR/-NSMPR. Как показано на рис. 1, датчики выпускаются в корпусах для монтажа в сквозных отверстиях и для поверхностного монтажа.

Серия датчиков тока HO задает новые стандарты рабочих характеристик, программной управляемости и простоты в использовании при проектировании электроприводов и инверторов последнего поколения. Ряд параметров и функций этих датчиков могут программироваться пользователем по простому цифровому последовательному интерфейсу с главного микроконтроллера системы. Благодаря двукратному снижению дрейфа смещения и коэффициента усиления, датчики серии HO обеспечивают типовую погрешность измерения 1% при температуре +25 °C и 2,8% при температуре +85 °C, без учета начального тока смещения, при высоком уровне развязки между первичной и измерительной цепями (длина пути утечки и воздушный зазор 8 мм, сравнительный индекс трекингостойкости 600). По этим показателям они стоят очень близко к традиционным датчикам тока компенсационного типа на эффекте Холла, отличаясь от последних более низкой ценой.

Эти датчики питаются от однополярного источника напряжением 3,3 или 5 В, имеют малый вес (5 г) и занимают мало места на печатной плате (12 мм в ширину, 23 мм в длину и 12 мм в высоту). Расширенный диапазон рабочих температур (–40…+115 °C) открывает большие перспективы для эффективного применения этих датчиков в промышленности, бытовой технике, солнечных инверторах, сервоприводах, электроприводах с регулируемой скоростью, источниках бесперебойного питания, импульсных источниках питания, погрузчиках, кондиционерах, аппаратуре контроля тока и сварочном оборудовании.

Благодаря новым возможностям програм­много управления один и тот же датчик серии HO можно использовать в разных по характеристикам изделиях, точно настраивая его функциональность и рабочие параметры под конкретное применение. В результате пользователь получает экономическую выгоду за счет возможности держать гораздо меньшее число комплектующих на складе. Помимо снижения издержек, достигается также высокий уровень гибкости в части снабжения.

Пользователям, которым требуются датчики с фиксированными рабочими параметрами и функциональностью, компания LEM может также предложить модели с соответствующими заводскими предустановками.