Spis treści:
Czujniki prądu to kluczowe komponenty w szerokiej gamie systemów elektrycznych i elektronicznych, które zapewniają bezpieczne i wydajne działanie sprzętu. Przeanalizujmy czujniki prądu, w tym ich rodzaje, zmienne, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze czujnika prądu, porównanie wydajności i zastosowania.
Czujnik prądu - co to jest i jak działa?
Czujnik prądu wykrywa i mierzy prąd elektryczny przepływający przez przewodnik. Przekształca prąd w wymierny sygnał wyjściowy do monitorowania, sterowania lub ochrony. Rodzaje czujników prądu oraz ich zalety i wady dzielą czujniki prądu na kategorie funkcjonalne i użytkowe w oparciu o podstawową koncepcję fizyczną, która leży u podstaw ich budowy. Te koncepcje czujników prądu obejmują prawo Ohma, prawo indukcji Faradaya, czy pole magnetyczne. Dzięki tej klasyfikacji można wyróżnić wiele popularnych czujników prądu. Prawo Ohma mówi, że napięcie pojawia się proporcjonalnie do prądu dostarczanego do elementu rezystancyjnego. Jeszcze inny typ to czujniki optyczne bezkontaktowego pomiaru prądu – niezależnie od ich typu służą wykrywaniu nieprawidłowości, wyłączaniu zasilania, monitorowaniu i kontroli.
Pomiar prądu w oparciu o rezystory bocznikowe
Są to precyzyjne rezystory o niskiej rezystancji, które są połączone szeregowo z przewodem przewodzącym prąd. Spadek napięcia na rezystorze jest proporcjonalny do przepływającego przez niego prądu, a napięcie to można zmierzyć, aby dowiedzieć się, ile prądu przez niego przepływa.
Rezystory bocznikowe mogą mierzyć zarówno prąd AC (zmienny), jak i DC (stały). Ponieważ rezystor bocznikowy znajduje się na ścieżce przewodzącej prąd, może powodować znaczne straty mocy, które rosną wraz z kwadratem prądu. Warto o tym pamiętać, bo przy zastosowaniach wysokoprądowych ta strata mocy może ograniczać ich użyteczność.
Rezystory bocznikowe są szeroko stosowane w różnych aplikacjach wymagających szybkiego narastania prądów przejściowych i dużych amplitud. Jednak ze względu na ich niewielki rozmiar i niski koszt te niedrogie urządzenia do montażu powierzchniowego SMD są preferowane przez wysoce zintegrowane gadżety elektroniczne.
Pomiar prądu w oparciu o linie miedziane
Możliwe jest również wykorzystanie wewnętrznej rezystancji elementu przewodzącego w obwodzie zamiast określonego rezystora bocznikowego. Ponieważ jednak linia miedziana ma niską rezystancję, a tym samym niski spadek napięcia, do uzyskania użytecznego sygnału wymagany jest wzmacniacz o wysokim wzmocnieniu.
Wytworzone napięcie może być wzmacniane w celu wykorzystania całego zakresu pomiarowego przetwornika, zanim zostanie dostarczone do sterownika cyfrowego w celu przetworzenia. Istotną wadą tego rodzaju czujnika prądu jest nieodłączne połączenie elektryczne, które istnieje między mierzonym prądem a obwodem pomiarowym. Izolację elektryczną można uzyskać poprzez zastosowanie wzmacniacza izolacyjnego, choć zwykle podnosi to cenę czujnika. Może to również zmniejszyć szerokość pasma i dokładność pomiarów.
Pomiar prądu w oparciu o przekładniki prądowe
Zostawiamy Ohma i idziemy do Faradaya. Przekładnik prądowy ma uzwojenie główne (zwykle jednopętlowe), rdzeń i uzwojenie wtórne. Jest to skuteczny czujnik pomiarowy wysokiego prądu przemiennego. W rezultacie duży prąd główny może zostać przekształcony w mniejszy prąd wtórny. Nie wymaga żadnych dodatkowych obwodów sterujących, ponieważ jest pasywny.
Inną ważną cechą jest to, że może monitorować bardzo wysoki prąd i jednocześnie zużywać przy tym bardzo mało energii elektrycznej. Materiał ferrytowy użyty w rdzeniu może jednak zostać nasycony przez bardzo wysoki prąd pierwotny lub znaczną składową stałą prądu, co powoduje zniekształcenie sygnału. Ponieważ podstawowa idea opiera się na wykrywaniu zmiany strumienia, która jest proporcjonalna do zmiany prądu, nie mogą one wykrywać prądów stałych w standardowej formie.
Ze względu na niski koszt i zdolność do generowania sygnału wyjściowego, który jest od razu kompatybilny z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, przekładniki prądowe są często wykorzystywane w aplikacjach konwersji mocy. Odgrywają one również znaczącą rolę w sieciach dystrybucji energii.
Czujniki Halla
Trudno wykryć prądy generujące statyczne pola magnetyczne z pomocą prawa indukcji Faradaya. Z drugiej strony czujniki pola magnetycznego mogą identyfikować zarówno statyczne, jak i ruchome pola magnetyczne. Stanowią one pożądaną alternatywę dla czujników prądu.
Amplituda i kąt względny prądu i pola magnetycznego określają wypadkowe napięcie wektorowe, które jest proporcjonalne do stałej Halla. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wykrywany prąd, który wytwarza pole magnetyczne zapewniające napięcie, które można analizować.
Elektronika zapewniająca sygnał często wymaga stopnia wzmacniacza, a także korekcji temperatury. Wzmacniacz różnicowy o tych właściwościach można po prostu połączyć z elementem Halla przy użyciu standardowej technologii tranzystorów bipolarnych.
Czujniki magnetorezystancyjne (MR)
Magnetorezystor, czyli magnetoodpornik, to urządzenie, którego rezystancja zmienia się w odpowiedzi na przyłożone pole magnetyczne. Wpływ pola magnetycznego na rezystancję materiału jest określany jako efekt MR. Zmiany w wykrywanym prądzie powodują zmiany w polu magnetycznym, które są odzwierciedlane w napięciu, które można następnie analizować. Rezystory te są często stosowane w mostkach do kompensacji dryftu termicznego.
Czujniki prądu - wybór i kryteria
Sprawdź, czy potrzebujesz pomiarów prądu przemiennego, stałego lub obu typów. Niektóre czujniki, takie jak przekładniki prądowe, są przeznaczone wyłącznie do pomiaru prądu przemiennego, ale inne, takie jak czujniki Halla i rezystory bocznikowe, mogą mierzyć zarówno prąd przemienny, jak i stały. Rozważ pomiar minimalnego i maksymalnego poziomu prądu.
Kluczowe znaczenie ma zapewnienie dokładnych odczytów w całym zakresie. Następna kwestia to dokładność. Precyzja różnych czujników jest zwyczajnie różna. Precyzyjne rezystory bocznikowe albo optyczne czujniki prądu oferują doskonałą precyzję, a przykładowo czujniki Halla mogą mieć gorszą dokładność w określonych przypadkach. Weź także pod uwagę najmniejszą zmianę natężenia prądu, która musi zostać zauważona.
Niektóre czujniki mają większą czułość i mogą wykrywać niewielkie wahania. W zależności od zastosowania może być konieczne mierzenie prądu w całym zakresie częstotliwości lub przy kilku określonych częstotliwościach. Pozostałe aspekty to czynniki środowiskowe (np. zakres temperatur), rozmiary i zastosowana izolacja.
