Миниатюрные датчики тока для силовых преобразователей

August 9, 2013 by admin Комментировать »

Основные представители номенклатуры классических датчиков, при всех их достоинствах все-таки являются достаточно габаритными изделиями. Наметившиеся в последнее время тенденции к сокращению габаритов преобразовательной техники заставляют производителей элементной базы разрабатывать новые, более миниатюрные, компоненты, экономящие внутреннее пространство приборов при безусловном сохранении высоких технических характеристик. Для таких применений фирма LEM разработала датчик тока типа FHS-40/SP600 открывающий серию «Minisens» и позволяющий измерять токи до 100 А, но при этом обладающий минимальными размерами — датчик размещен в корпусе SOIC-8.

Так как данный тип датчика не имеет сквозного отверстия, через которое пропускается токоведущий проводник с измеряемым током, его чувствительность определяется расстоянием от токоведущего проводника до элемента Холла (рис. 2.5.30). Чувствительность датчика определяется из выражения:

где r — расстояние от элемента Холла до проводника.

Датчик Холла оснащен специальным концентратором магнитного потока, что позволило исключить из конструкции датчика кольцевой магнитный сердечник.

_                                    На рис. 2.5.31 приведен график зависи

мости чувствительности (в мВ/А) в зависимости от расстояния между проводником и чувствительным элементом (в мм). Из него следует, что датчик должен быть достаточно точно установлен относительно токоведущего проводника, иначе его показания будут неточными. Впрочем, современные методы изготовления электронных приборов позволяют достаточно точно позиционировать элементы автоматизированным способом.

Структурная схема датчика FHS-40/ SP600 приведена на рис. 2.5.32. Питание к

Рис. 2.5.31. Зависимость чувствительности датчика FHS-40/SP600 от расстояния до чувствительного элемента

Рис. 2.5.32. Структурная схема датчика FHS-40/SP600

датчику поступает на выводы Vc и 0V. Его диапазон лежит в пределах 5,5 В, что согласуется с питанием большинства стандартных микроконтроллеров. Диапазон измеряемых частот лежит до частоты 100 кГц. В составе датчика предусмотрено два выхода: выход VOUTFast передает сигнал непосредственно с выхода датчика тока, с задержкой информации не более 3 мкс, а выход V0(JT транслирует сигнал, прошедший через фильтр высокочартотных помех. Фильтр позволяет снизить помехи в диапазоне частот выше 100 кГц, а выход VOUXFast можно использовать для диагностики возникновения короткого замыкания и связанного с этим появления сверхтоков. Константы основных параметров датчика (коэффициент передачи, полярность выходного сигнала) сконфигурированы во внутренней энергонезависимой памяти.

Типовое значение линейности характеристики датчика во всем диапазоне измеряемых частот не превышает 0,5 %, номинальный выходной сигнал — 2000 мВ. Через вывод STANDBY осуществляется перевод датчика в дежурный режим со сниженным энергопотреблением, что важно для его применения в системах аккумуляторного (автономного) питания. Датчик имеет 6 конструктивных исполнений, рассчитанных на номинальные значения токов из ряда 5 А, 10 А, 20 А, 40 А, 80 А, 100 А. Рабочий диапазон датчика: ^0…+115 градусов Цельсия.

Наиболее интересным при применении датчика является реализация методов его установки в разрабатываемый прибор, а именно — на печатную плату с силовыми токоведущими проводниками. На рис. 2.5.33, а показано расположение датчика на печатной плате (PCB). Датчик располагается над токоведущей шиной, по которой проходит измеряемый ток /р, создающий магнитное поле с индукцией В. Токоведущий проводник может располагаться как со стороны установки датчика (рис. 2.5.33, б), так и с противоположной стороны (рис. 2.5.33, в). Это — очень важный момент, поскольку от взаимного расположения токоведущего проводника и датчика будут зависеть его показания, а также величина испытательного напряжения электрической изоляции между силовой шиной и измерительными цепями. Очевидно, при установке датчика на сторону платы, противоположную токоведущей шине, напряжение изоляции повышается, однако снизится чувствительность.

Рис. 2.5.33. Установка датчика FHS-40/SP600 на печатную плату

На рис. 2.5.34 показаны типовые зависимости между расстоянием от датчика до токоведущего проводника, а также его ширины, и чувствительности датчика. Во всех трех случаях толщина токоведущего

проводника составляет 70 мкм. Почему наблюдается зависимость чувствительности от ширины проводника? Как датчик, так и токоведущий проводник имеют конечные размеры и не могут быть представлены точечными моделями. Рекомендуемые нормы установки должны быть обеспечены технологически.

Рис. 2.5.34. Зависимость чувствительности датчика FHS-40/SP600 от расположения относительно токоведущего проводника

Чтобы оценить достоинства описываемого датчика, фирма-производитель выпустила серию готовых к использованию макетных плат с установленными на них по всем правилам датчиками и сконфигурированными силовыми токоведущими проводниками. Эти макетные платы носят наименования KIT4, KIT5, KIT6, KIT7, KIT8, KIT9, KIT11, KIT12. Упомянутые макетные платы с наименованиями KIT11 и KIT12 несут на себе по два датчика, остальные платы — одиночные. На рис. 2.5.35, а—е представлен внешний вид макетных плат KIT4-KIT9. Вариант KIT4 (рис. 2.5.35, а — это вариант расположения датчика и токоведущего проводника на одной стороне платы. Вариант KIT5 — расположение элементов с разных сторон платы. В макетной плате KIT6 использована объемная токоведущая перемычка. Варианты KIT7 и KIT8 — особые: в них токоведущая шина выполнена таким образом, чтобы силовой ток прошел через датчик несколько раз, в результате чего магнитная индукция, созданная отдельными витками, должно складываться, чем повышается чувствительность датчика для измерения небольших значений токов. Вариант KIT9 похож на вариант KIT4, только токоведущая шина здесь усилена.

Рис. 2.5.35. Варианты исполнения макетных плат KIT

Все макетные платы KIT используют единую идеологию построения: печатный монтаж датчика выполнен с учетом рекомендаций по помехозащищенности, приведенных в технической документации (к выводам питания подключены блокировочные конденсаторы, применена рекомендованная конфигурация «общего проводника»). Выводы токоведущей шины металлизированы, измерительные цепи и цепи питания имеют разъемные соединители (контактные группы). Непосредственно на печатной плате указано положительное направление измеряемого тока.

Разработчикам силовой техники приходится постоянно учитывать такое немаловажное обстоятельство, как нагрев токоведущих проводников. И если объемные проводники можно выполнить любого необходимого сечения, то с печатными проводниками дело обстоит намного сложнее: нужное сечение может быть обеспечено только за счет ширины проводника. Конечно, для печатных проводников можно увеличивать плотность тока до 25 А/мм2, но эта цифра все-таки конечна. Учитывая это обстоятельство, разработчики макетных плат KIT провели тепловые исследования и привели их результаты в сопроводительной документации. Для примера приведем данные по макетной плате KIT4.

На рис. 2.5.36 показана тепловая модель распределения температуры токоведущего проводника толщиной 70 мкм при температуре окружающей среды 85 градусов Цельсия и протекании тока 10 А. Видно, что наиболее нагретая зона наблюдается под основанием датчика, а температура проводника в этой зоне составляет 105 градусов Цельсия.

Рис. 2.5.36. Тепловая модель токоведущего проводника макетной платы KIT4

Также для разработчика будет полезным оценить возможность применения KIT в разных температурных диапазонах. График рис. 2.5.37 показывает допустимое значение тока в токоведущем про

воднике в зависимости от температуры окружающей среды для токоведущих проводников толщиной 35 мкм и 70 мкм. Температура наиболее нагретой зоны здесь составляет 115 градусов Цельсия.

Рис. 2.5.37. График зависимости допустимого тока от температуры окружающей среды

Второй вариант миниатюрного датчика тока, на который обращаем внимание читателя, это серия ACS, выпускаемая фирмой «Allegro» [45]. Главное отличие датчиков этой серии от вышеупомянутых датчиков заключается в том, что в их составе конструктивно предусмотрена силовая токоведущая шина. Фирма выпускает два основных типоисполнения датчика — с планарно-монтируемым корпусом (рис. 2.5.38, а), маркируются кодом «71» и с корпусом для монтажа выводов в отверстия (рис. 2.5.38, б), маркируются кодом «75». Основные технические параметры датчиков приведены в табл. 2.5.1.

Тип датчика

Диапазон рабочих температур, вС

Нелинейность, %

Измеряемый номинальный ток, А

Типовая чувствительность, мВ/А

ACS712ELCTR-05B-T

^0…+85

±1,50

±5,0

185,00

ACS712ELCTR-20A-T

-40…+85

±1,50

±20,0

100,00

ACS712ELCTR-30A-T

^0…+85

±1,50

±30,0

66,00

ACS713ELCTR-20A-T

-40…+85

±1,50

0…20,0

185,00

ACS713ELCTR-30A-T

-40…+85

±1,50

0…30,0

133,00

ACS714ELCTR-05B-T

^0…+85

±1,50

±5,0

185,00

ACS714ELCTR-20A-T

-40…+85

±1,50

±20,0

100,00

ACS714ELCTR-30A-T

-40…+85

±1,50

±30,0

66,00

ACS714LLCTR-05B-T

^0…+150

±1,50

1 ±5,0

185,00

ACS714LLCTR-20A-T

^0…+150

±1,50

±20,0

100,00

ACS714LLCTR-30A-T

-40…+150

±1,50

±30,0

66,00

ACS715ELCTR-20A-T

-40…+85

±1,50

0…20,0

185,00

ACS715ELCTR-30A-T

-40…+85

±1,50

0…30,0

133,00

ACS715LLCTR-20A-T

-40…+150

±1,50

0…20,0

185,00

ACS715LLCTR-30A-T

-40…+150

±1,50

0…30,0

133,00

ACS750LCA-050

-40…+150

±5,00

±50,0

40,00

ACS750SCA-050

-20…+85

±5,00

±50,0

40,00

ACS750LCA-075

-40…+150

±5,00

I ±75,0

19,75

ACS750SCA-075

-20…+85

±5,00

±75,0

HV75

ACS750ECA-100

-40…+150

±5,00

±100,0

19,75

ACS750SCA-100

-20…+85

±5,00

±100,0

19,75

ACS752SCA-050

-20…+85

±4,00

±50,0

40,00

ACS752SCA-100

-20…+85

±4,40

| ±100,0

20,00

ACS754LCB-050-PFF

^0…+150

±1,50

±50,0

40,00

ACS754SCB-050-PFF

-20…+85

±1,50

±50,0

40,00

ACS754LCB-100-PFF

-40…+150

±1,50

±100,0

20,00

ACS754LCB-100-PSF

-40…+150

±1,50

±100,0

20,00


Тип датчика

Диапазон рабочих температур, вС

Нелинейность, %

! Измеряемый i номинальный ток, А

Типовая чувствительность, мВ/А

ACS754SCB-100-PFF

-20…+85

±1,50

±100,0

20,00

ACS754LCB-130-PFF

^0…+150

±1,50

±130,0

15,00

ACS754LCB-130-PSF

^0…+150

±1,50

±130,0

15,00

ACS754SCB-130-PFF

-20…+85

±1,50

±130,0

15,00

ACS754SCB-130-PSF

-20…+85

±1,50

±130,0

15,00

ACS754KCB-150-PFF

-40…+125

±1,30

±150,0

13,30

ACS754KCB-150-PSF

-40…+125

±1,30

±150,0

13,30

ACS754KCB-150-PSS

-40…+125

±1,30

±150,0

13,30

ACS754SCB-150-PSF

-20…+85

±1,30

±150,0

13,30

ACS754SCB-150-PSS

-20…+85

±1,30

±150,0

13,30

ACS754SCB-200-PFF

-20…+85

±1,20

±200,0

10,00

ACS754SCB-200-PSF

-20…+85

±1,20

±200,0

10,00

ACS755LCB-050-PFF

-40…+150

±2,80

0…50,0

60,00

ACS755SCB 050-PFF

-20…+85

±2,80

0…50,0

60,00

ACS755LCB-100-PFF

-40…+150

±2,80

0…100,0

40,00

ACS755SCBlOO-PFF

! -20…+85

|____

±2,80

0…100,0

40,00

ACS755LCB-130-PFF

| -40…+150

±0,85

0…130,0

30,00

ACS755LCB-130-PSF

| -40…+150

±0,85

0…130,0

30,00

ACS755SCB-130-PFF

| -20…+85

±0,85

0…130,0

30,00

ACS755SCB-130-PSF

| -20…+85

±0,85

0…130,0

30,00

ACS755KCB-150-PSF

| -40…+125

±0,95

0…150,0

26,00

ACS755SCB-150-PSF

| -20…+85

±0,95

0…150,0

26,00

ACS755SCB-200-PSF

| -20…+85

±0,80

0…200,0

20,00

ACS756SCA-050B-PFF-T

j -20…+85

±1,80

±50,0

40,00

ACS756SCA-1OOB-PFF-T

| -20…+85

±1,80

±100,0

20,00

ACS756KCA-050B-PFF-T

j -40…+125

±1,80

±50,0

40,00

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты