Masurarea Curentului

1.Masurarea curentului

Masurarea curentului electric este des utilizata în aparatura electronica din domeniul stiintific si ingineresc, în aplicatii ce merg de la detectarea radiatiei pana la încarcarea acumulatorilor. Domeniul valorilor masurate se întinde de la picoamperi (10 – 12A) pana la mii de amperi. Folosirea eficienta a unui senzor de curent presupune întelegerea tehnologiei acestuia si aplicatiile în care poate fi folosit. Aici se vor prezenta:

sesizarea rezistiva a curentului,

convertoarele curent-tensiune, I-U,

sesizarea magnetica a curentului,

senzori de curent cu bucla închisa si

transformatoarele de curent.

Curentul electric este o miscare ordonata de sarcini electrice, de obicei electroni, sarcini negative, dar si sarcini pozitive precum golurile în semiconductori si ionii în electroliti. Unitatea de masura a curentului este amperul (A) ce reprezinta 6× 1018 sarcini elementare (electroni ce au sarcina electrica e = 1,6× 10 – 19 C) traversand o sectiune data prin conductor într-o secunda.

Figura cu campul magnetic generat

Curentul care trece printr-un conductor creaza un camp magnetic în jurul conductorului si o diferenta de potential între capetele lui. Ambele efecte pot fi folosite pentru a sesiza marimea si sensul curentului.

Curentul se masoara în principal prin intermediul a doua efecte:

caderea rezistiva de tensiune si

campul magnetic generat .

Trecand curent electric printr-o substanta, apare o diferenta de potential care pentru majoritatea materialelor este proportionala cu curentul (legea lui Ohm). Masurand acesta tensiune putem afla curentul. Acesta este baza sesizarii rezistive a curentului electric.

Miscarea sarcinilor electrice genereaza un camp magnetic orientat perpendicular pe directia miscarii. Curentul electric se poate determina masurand campul magnetic. Avantajul major al acestei metode este izolarea galvanica, adica nu exista un contact electric direct între circuitul de masura si circuitul masurat.

1.1Sesizarea rezistiva a curentului electric

Problema tehnica a realizarii unor rezistori foarte stabili si liniari este rezolvata de multa vreme, iar sesizarea rezistiva a curentului este bine stiuta si înteleasa. Se pune rezistorul de sesizare în serie cu circuitul al carui curent trebuie masurat si se masoara caderea de tensiune pe rezistor. Curentul se determina din legea lui Ohm:

I = U/R

unde:    I=curentul, [I]SI =A(Amper) 
           U=tensiunea.electrica, [U]SI =V(Volt) 
            R = rezistenta electrica, [R]SI = W (Ohm)

Corecta fundamental, metoda simpla expusa ignora detalii absolut necesare la aplicarea în practica. Aplicatiile concrete au diverse cerinte privind prelucrarea si afisarea rezultatului masurarii, iar comportamentul neideal al componentelor sistemului va complica proiectul unui senzor rezistiv de curent bun. Masurarea tensiunii se poate face

flotant sau

fata de pamant (masa).

Pentru masurarea flotanta folosim un amplificator diferential ce va masura diferenta de potential dintre capetele rezistentei si va furniza la iesire o tensiune fata de masa proportionala cu intrarea. La masurarea fata de masa un capat al rezistorului de masurare este legat la masa. Aici trebuie tinut cont de faptul ca pe conductoarele de masa pot aparea caderi de tensiune importante la curenti mari .

Curentul poate fi sesizat fie în configuratie flotanta (A), cand capetele rezistorulu sunt la tensiuni diferite de zero, folosind un amplificator diferential. Sesizarea fata de masa (B) nu necesita un amplificator diferential, dar utilizand unul putem compensa caderile de potential pe traseele de masa.

Caderea de tensiune pe rezistorul de sesizare influenteaza functionarea circuitului în care este inserat. De aceea se face un compromis între tensiunea necesara pentru o masurare precisa si caderea de tensiune tolerata de aplicatie.

Puterea disipata. Curentul ce trece prin rezistor va genera pe langa caderea de tensiune si caldura în unitatea de timp P=I2·R . Daca puterea ce trebuie disipata se apropie de puterea maxima recomandata pentru rezistor, este necesar sa montam rezistorul pe radiator de caldura, altfel temperatura ridicata la care va lucra îi va scurta mult timpul de viata.

1.2 Sesizarea Magnetica a Curentului

Curentul poate fi sesizat prin intermediul campului magnetic ce-l genereaza. Avantajul principal al metodei consta în lipsa conexiunii electrice directe între circuitul de masura si circuitul masurat. Aceasta izolare este foarte importanta acolo unde siguranta si masurile de protectie a muncii sunt stringente, cum este cazul circuitelor de înalta tensiune. Campul magnetic din jurul unui conductor liniar este:

B = mo I/(2p r)

unde     I=curentul[A] ; 
            r=distanta de la centrul conductorului în m; 
              mo=permeabilitatea magnetica în aer, vid (1,26 10-6 H/m) 
            B = inductia campului magnetic în T.

Teoretic, plasand un senzor magnetic la o distanta cunoscuta de conductor, putem masura curentul prin el. Practic precizia masuratorii are o dependenta prea puternica de distanta senzor-conductor si campul generat de curentii moderati este mic (1A genereaza la 1cm doar 0,4Gs, cam cat este campul magnetic terestru). Totusi metoda este buna pentru cazul particular al masurarii curentului prin traseele de pe cablajele imprimate (fig. 7) folosind senzori cu magnetorezistenta gigant (GMR).

Figura reprezinta senzor GMR sesizeaza curentul din traseele de pe cablajele imprimate.

1.3 Senzorul cu traductor Hall

Un bun senzor magnetic pentru curent se obtine concentrand campul magnetic în zona traductorului (fig. 8) cu ajutorul unui tor din material cu permeabilitate magnetica mare (mr >>1) folosit ca concentrator de flux. Senzorul de camp magnetic este de obicei un dispozitiv Hall plasat în întrefierul torului. Acest sistem se numeste senzor în bucla deschisa.

Senzorul Hall din întrefierul torului simnte campul magnetic în acest senzor de curent de uz general. Este un dispozitiv în bucla deschisa ce masoara curenti de la cativa amperi la cateva sute de amperi.

1.4 Transformatorul de curent

Transformatorul de curent este o solutie simpla de masurare izolata galvanic în cazul particular, dar des întalnit, al curentului alternativ pur sinusoidal. La fel cu senzorii de curent magnetici acesta este construit de obicei pe un tor din material feromagnetic . Transformatorul de curent functioneaza ca orice transformator, curentii din înfasurarile primar si secundar fiind legati de relatia:

i S NS = i P NP (4)

unde     iP =curentul din primar; 
            iS =curentul din secundar; 
            NP = numarul de spire din primar; 
            NS = numarul de spire din secundar

Curentul din primar induce în secundar un curent care este transformat de rezistenta de sarcina RL într-o tensiune . În aplicatiile tipice ale transformatorului de curent secundarul are mai multe spire decat primarul care de obicei are o singura spira. Astfel curentul din secundar are valori substantial mai mici si mai usor de masurat decat cele din primar.

Transformatorul de curent este o solutie simpla de masurare izolata galvanic în cazul curentului alternativ . Curentii primar si secundar sunt dati de relatia iP NP = iS NS . Utilizarea corecta presupune o rezistenta de valoare mica pe bornele înfasurarii secundare.RT .

Un transformator de curent ideal nu apare ca o sarcina inductiva, asa cum apare senzorul de curent cu efect Hall, ci ca un rezistor în serie cu înfasurarea primara. Valoarea acestui rezistor este data de relatia:

RP = RS (NP / NS)2

Fenomenul de saturatie se poate manifesta si în transformatoarele de curent, dar curentul alternativ necesar saturatiei este semnificativ mai mare decat cel din curent continuu deoarece curentul indus în secundar genereaza un flux magnetic în opozitie cu cel din primar (legea Lenz). Trebuie avut grija sa nu existe componente continui suprapuse peste curentul alternativ fiindca acestea pot satura rapid miezul si distorsiona masuratorile.

1.5 Senzorul de curent ACS-712

Pentru masurarea curentului produs de panoul solar , am ales un sensor Allegro™ ACS712 care este o solutie practica si economica , compatibila cu platforma Arduino . Allegro™ ACS712 oferă soluții precise pentru curent CA sau CC și economice pentru sesizarea curentului în domeniul industrial, comercial și sisteme de comunicații. Pachetul de dispozitiv permite ușor punerea în aplicare de către client. Aplicațiile tipice includ controlul motorului, detectare sarcină și gestionare, surse switchmode de alimentare și protecția la supracurent defect. Aparatul nu este destinat pentru aplicații auto. Dispozitivul constă intr-un circuit precis, offset redus, liniar Hall cu un traseu de conducție de cupru situate în apropierea suprafeței matriței. Curentul care parcurge aceasta conducta de cupru generează un câmp magnetic care traductorul Hall o transformă într-o tensiune proporțională.

Precizia dispozitivului este optimizată prin imediata apropiere a semnalului magnetic de la traductorul Hall. O tensiune precisă, proporțională este asigurată de compensare-joasă, stabilizat cu elicopterul BiCMOS , care este programat pentru acuratețe după ambalare. Ieșirea dispozitivului are o pantă pozitivă (> ​​VIOUT (Q)) atunci când un curentt mai parcurge prin calea conducție cuprului primar (din pinii 1 și 2, la pinii 3 și 4), care este calea utilizată pentru eșantionare curent. Rezistența internă a acestei căi conductoare este de 1,2 MQ , oferind o pierdere de putere scăzută. Grosimea conductorului de cupru permite supraviețuirea dispozitivul de până la 5 × la condițiile supracurenților.

Terminalele căii conductoare sunt izolate electric de conductorii de semnal (pinii 5 până la 8). Acest lucru permite ca ACS712 să fie utilizate în aplicații care necesită izolarea electrică fără utilizarea opto-izolatoare sau alte tehnici de izolare costisitoare. ACS712 este prevăzută într-o capsula mica, cu o suprafață montata, SOIC8. Este placat cu un suport de conexiune din 100% staniu mat, care este compatibil cu standardul de plumb (Pb). Pe plan intern, dispozitivul este fără plumb, cu excepția mingi de lipire flip-cip de înaltă temperatură , în prezent exceptate de la RoHS. Aparatul este complet calibrat înainte de expediere de la fabrica.

Lista terminalelor

-Definițiile caracteristicilor de precizie

Sensibilitatea

Sensibilitatea Modificarea dispozitivului de ieșire, ca răspuns la o schimbare de 1A prin conductorul primar. Sensibilitatea este produsul sensibilității magnetice a circuitului (G / A) și amplificatorul operational (mV / G).  amplificator este programat din fabrică pentru a optimiza sensibilitatea (mV / A) pentru curentul pe scară largă a dispozitivului.

Zgomotul (VNOISE).

Zgomotul este produsul din amplificator (mV / G) și podea de zgomot pentru efectul Allegro Hall linear (≈1 G). Podeua de zgomot este derivata din zgomotul termic și împușcat, observate în elementul Hall. Împărțind zgomotul (mV) la sensibilitatea (mV / A), oferă cel mai mic curent că dispozitivul este capabil să rezolve.

Liniaritate (ELIN)

Liniaritatea este gradul în care tensiunea de ieșire variază direct proporțional cu curentul primar prin amplitudinea sa pe scară largă. Neliniaritate în producția poate fi atribuită cu saturarea concentratorului de flux cand se apropie de curentul pe scară largă.

Precizia (Etot)

Acuratețea reprezintă deviația maximă a ieșirii efective din valoarea sa ideală.Acesta este cunoscut ca eroarea totală de ieșire. Acuratețea este ilustrată grafic în tensiunea de ieșire față de graficul curent la dreapta.

-Definițiile caracteristicilor răspunsului dinamic

Power-On Time (tPO).

În cazul în care alimentarea este ramped la tensiunea de funcționare, dispozitivul necesită un timp finit pentru alimentarea componentelor sale interne, înainte de a răspunde la un câmp magnetic de intrare. Power-On Time, TPO, este definit ca fiind timpul necesar pentru ca tensiunea de ieșire să se stabilească în termen de ± 10% din valoarea sa la starea de echilibru în cadrul unui câmp magnetic aplicat, după alimentarea cu energie a atins tensiune minimă de funcționare specificată, VCC (min ), așa cum se arată în graficul de mai jos.

t1- timpul la care sursa de alimentare atinge tensiunea de funcționare minimă specificat.

t2 – timpul la care tensiunea de ieșire se stabilește în termen de ±10% din valoarea sa la starea de echilibru sub un câmp magnetic aplicat.

-Timpul de creștere (tr).

 Intervalul de timp între cazul în care dispozitivul ajunge la 10% din valoarea sa completă, și atunci când ajunge la 90% din valoarea sa scală completă. Timpul de creștere a unui răspuns pas este utilizat pentru a obține lățimea de bandă a dispozitivului, în care ƒ (-3 dB) = 0,35 / tr.

Tehnica Chopper Stabilization

Tehnica Chopper Stabilization este o tehnica de circuit inovatoare, care este utilizat pentru a minimiza tensiunea de offset a unui element Hali și un amplificator asociat on-chip. Această tehnică de reducere a off-setului se bazează pe un proces de modulare-demodulare a semnalului.