Tecniche di rilevamento della corrente che utilizzano diversi sensori di corrente

La corrente è un fattore molto critico nell'elettronica o nell'ingegneria elettrica. Nell'elettronica, la corrente può avere una larghezza di banda da pochi nano-ampere a centinaia di ampere. Questa gamma può essere molto più ampia nel dominio elettrico in genere fino a diverse migliaia di ampere, specialmente nelle reti elettriche. Esistono diversi metodi per rilevare e misurare la corrente all'interno di un circuito o un conduttore. In questo articolo, discuteremo come misurare la corrente utilizzando varie tecniche di rilevamento della corrente con i loro vantaggi, svantaggi e applicazioni.

Metodo di rilevamento della corrente del sensore a effetto Hall

L'effetto Hall viene scoperto dal fisico americano Edwin Herbert Hall e può essere utilizzato per percepire la corrente. Viene generalmente utilizzato per rilevare il campo magnetico e può essere utile in molte applicazioni come tachimetro, allarme porta, BLDC fai-da-te.

Il sensore ad effetto Hall produce una tensione di uscita che dipende dal campo magnetico. Il rapporto tra la tensione di uscita è proporzionale al campo magnetico. Durante il processo di rilevamento della corrente, la corrente viene misurata misurando il campo magnetico. La tensione di uscita è molto bassa e deve essere amplificata a un valore utile utilizzando un amplificatore ad alto guadagno con rumore molto basso. Oltre al circuito dell'amplificatore, il sensore ad effetto Hall richiede circuiti aggiuntivi in ​​quanto è un trasduttore lineare.

Professionisti:

1. Può essere utilizzato con frequenze più alte.
2. Può essere utilizzato con precisione sia in AC che in DC.
3. Metodo senza contatto.
4. Può essere utilizzato in un ambiente difficile.
5. È affidabile.

Contro:

1. Il sensore va alla deriva e richiede una compensazione.
2. Il circuito aggiuntivo richiede un output utile.
3. Costoso rispetto alla tecnica basata su shunt.

I sensori a effetto Hall vengono utilizzati nei multimetri a pinza e in molte applicazioni di rilevamento della corrente industriale e automobilistica. Molti tipi di sensori lineari ad effetto Hall possono rilevare la corrente da diversi milliampere a migliaia di ampere. Per questo motivo, l'applicazione Smart Grid Monitoring utilizza anche un diverso tipo di sensore ad effetto Hall per monitorare la corrente del conduttore.

Metodo di rilevamento della corrente del sensore Flux Gate

Un induttore saturabile è il componente principale della tecnica di rilevamento Fluxgate. Per questo motivo, il sensore Fluxgate è chiamato sensore di corrente induttore saturabile. Il nucleo dell'induttore utilizzato per il sensore fluxgate lavora nella regione di saturazione. Il livello di saturazione di questo induttore è altamente sensibile e qualsiasi densità di flusso interna o esterna cambia il livello di saturazione dell'induttore. La permeabilità del nucleo è direttamente proporzionale al livello di saturazione, quindi cambia anche l'induttanza. Questa variazione del valore dell'induttore viene analizzata dal sensore del gate di flusso per rilevare la corrente. Se la corrente è alta, l'induttanza si abbassa, se la corrente è bassa, l'induttanza diventa alta.

Il sensore effetto Hall funziona in modo simile al sensore fluxgate, ma c'è una differenza tra loro. La differenza è nel materiale di base. Il sensore Flux Gate utilizza un induttore saturabile ma il sensore ad effetto Hall utilizza un nucleo d'aria.

Nell'immagine sopra, viene mostrata la costruzione di base di un sensore di gate di flusso. Ci sono due bobine primaria e secondaria avvolte attorno a un nucleo induttore saturabile. I cambiamenti nel flusso di corrente possono alterare la permeabilità del nucleo con conseguente cambiamento di induttanza attraverso l'altra bobina.

Professionisti:

1. Può misurare in un'ampia gamma di frequenze.
2. Ha una grande precisione.
3. Offset e derive bassi.

Contro:

1. Elevato consumo di energia secondaria
2. Un fattore di rischio aumenta per il rumore di tensione o corrente nel conduttore primario.
3. Adatto solo per CC o CA a bassa frequenza.

I sensori Fluxgate vengono utilizzati negli inverter solari per rilevare la corrente. Oltre a questo, la misurazione della corrente CA e CC a circuito chiuso può essere eseguita facilmente utilizzando i sensori Flux Gate. Il metodo di rilevamento della corrente Flux Gate può essere utilizzato anche nella misurazione della corrente di dispersione, nel rilevamento di sovracorrenti ecc.

Metodo di rilevamento della corrente della bobina di Rogowski

La bobina di Rogowski prende il nome dal fisico tedesco Walter Rogowski. La bobina di Rogowski è realizzata utilizzando una bobina con nucleo in aria di forma elicoidale e avvolta attorno al conduttore mirato per la misurazione della corrente.

Nell'immagine sopra, la bobina di Rogowski è mostrata con circuiti aggiuntivi. Il circuito aggiuntivo è un circuito integratore. La bobina di Rogowski fornisce la tensione di uscita a seconda della velocità di variazione della corrente nel conduttore. È necessario un circuito integratore aggiuntivo per realizzare una tensione di uscita proporzionale alla corrente.

Professionisti:

1. È un buon metodo per rilevare variazioni rapide di corrente ad alta frequenza.
2. Funzionamento sicuro in termini di gestione dell'avvolgimento secondario.
3. Soluzione a basso costo.
4. Flessibilità nella manipolazione grazie alla costruzione ad anello aperto.
5. La compensazione della temperatura non è complessa.

Contro:

1. Adatto solo per AC
2. Ha una bassa sensibilità rispetto al trasformatore di corrente.

La bobina di Rogowski ha una vasta gamma di applicazioni. Ad esempio, misurazione della corrente in moduli di potenza di grandi dimensioni, in particolare attraverso i MOSFET o transistor ad alta potenza o attraverso l'IGBT. La bobina di Rogowski fornisce un'opzione di misurazione flessibile. Poiché la risposta della bobina di Rogowski è molto veloce su transitori o onde sinusoidali ad alta frequenza, è una buona scelta per misurare i transitori di corrente ad alta frequenza nelle linee elettriche. Nella distribuzione di energia o nella smart grid, la bobina di Rogowski offre un'eccellente flessibilità per le misurazioni di corrente.

Metodo di rilevamento della corrente del trasformatore di corrente

Il trasformatore di corrente o CT viene utilizzato per rilevare la corrente tramite la tensione secondaria che è proporzionale alla corrente nella bobina secondaria. È un trasformatore industriale che converte il grande valore di tensione o corrente in un valore molto più piccolo nella sua bobina secondaria. La misurazione viene eseguita sull'uscita secondaria.

Nell'immagine sopra, viene mostrata la costruzione. È un trasformatore TA ideale con rapporto primario e secondario 1: N. La N dipende dalle specifiche del trasformatore. Ulteriori informazioni sui trasformatori qui.

Professionisti:

1. Grande capacità di gestione della corrente, più degli altri metodi mostrati in questo articolo.
2. Non richiedono circuiti aggiuntivi.

Contro:

1. Necessita di manutenzione.
2. L'isteresi si verifica a causa della magnetizzazione.
3. Una corrente primaria elevata satura i materiali del nucleo di ferrite.

L'uso principale della tecnica di rilevamento della corrente basata su trasformatore CT è nella rete elettrica a causa della capacità di misurazione della corrente molto elevata. Poche pinze amperometriche utilizzano anche un trasformatore di corrente per la misura della corrente alternata.

Metodo di rilevamento della corrente del resistore di shunt

Questo è il metodo più utilizzato nelle attuali tecniche di rilevamento. Questa tecnica si basa sulla legge di Ohm.

Un resistore di basso valore in serie viene utilizzato per rilevare la corrente. Quando la corrente scorre attraverso un resistore di basso valore, produce una differenza di tensione attraverso il resistore.

Facciamo un esempio.

Supponiamo che 1 A di corrente scorra attraverso un resistore da 1 ohm. Secondo la legge di Ohm, la tensione è equivalente alla corrente x resistenza. Pertanto, quando 1 A di corrente fluisce attraverso un resistore da 1 ohm, produrrà 1 V attraverso il resistore. Il wattaggio del resistore è un fattore critico da considerare. Tuttavia, sul mercato sono disponibili anche resistori di valore molto piccolo, in cui la resistenza è nell'intervallo di milliohm. In tal caso, anche la differenza di tensione attraverso il resistore è molto piccola. È necessario un amplificatore ad alto guadagno per aumentare l'ampiezza della tensione e, infine, la corrente viene misurata utilizzando la base di calcolo inversa.

Un approccio alternativo per questo tipo di tecnica di rilevamento della corrente consiste nell'utilizzare la traccia PCB come resistore di shunt. Poiché la traccia di rame di un PCB offre una resistenza molto piccola, è possibile utilizzare la traccia per misurare la corrente. Tuttavia, in un tale approccio alternativo, diverse dipendenze sono anche una grande preoccupazione per ottenere un risultato accurato. Il principale fattore rivoluzionario è la variazione della temperatura. A seconda della temperatura, la resistenza della traccia viene modificata con il risultato di un errore. È necessario compensare questo errore nell'applicazione.

Professionisti:

1. Soluzione molto conveniente
2. Può funzionare in AC e DC.
3. Attrezzatura aggiuntiva non richiesta.

Contro:

1. Non adatto per il funzionamento a corrente più elevata a causa della dissipazione del calore.
2. La misurazione dello shunt fornisce una diminuzione non necessaria dell'efficienza del sistema a causa dello spreco di energia attraverso il resistore.
3. La deriva termica fornisce risultati di errore in un'applicazione ad alta temperatura.

L'applicazione del resistore Shunt include un amperometro digitale. Questo è un metodo accurato ed economico diverso dal sensore a effetto Hall. Il resistore di shunt può anche fornire un percorso a bassa resistenza e consente a una corrente elettrica di passare da un punto all'altro in un circuito.

Come selezionare il metodo di rilevamento della corrente appropriato?

La selezione del metodo corretto per il rilevamento della corrente non è una cosa difficile. Ci sono pochi fattori da considerare per scegliere il metodo giusto, come:

1. Quanta precisione è necessaria?
2. Misurazione CC o CA o entrambe?
3. Quanto consumo di energia è richiesto?
4. Qual è la portata e la larghezza di banda correnti da misurare?
5. Costing.

Oltre a questi, è necessario considerare anche una sensibilità accettabile e il rifiuto delle interferenze. Poiché ogni fattore non può essere soddisfatto, vengono fatti alcuni compromessi per compromettere una funzionalità con l'altra a seconda della priorità dei requisiti dell'applicazione.