Ток является очень важным фактором в электронике и электротехнике. В электронике ток может составлять величину от нескольких наноампер до сотен ампер. В электротехнике этот диапазон может быть намного шире, обычно до нескольких тысяч ампер, особенно в электрических сетях. Существуют различные методы обнаружения и измерения тока внутри цепи или проводника. В этой статье мы обсудим, как измерять ток с использованием различных методов измерения тока, их преимущества, недостатки и области применения.

Метод измерения тока с помощью датчика Холла

Эффект Холла был открыт американским физиком Эдвином Гербертом Холлом и может быть использован для определения силы тока. Обычно он используется для обнаружения магнитного поля и может быть полезен в таких приложениях, таких как спидометр, замок с электромагнитным управлением, проект виртуальной реальности.

Датчик Холла выдает выходное напряжение в зависимости от магнитного поля. Более подробно про принцип работы датчика Холла можно прочитать в этой статье. Величина выходного напряжения датчика Холла пропорциональна напряженности магнитного поля. В процессе измерения тока ток измеряется путем измерения магнитного поля. Выходное напряжение очень низкое, и его необходимо усилить до полезного значения с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления и очень низким уровнем шума. Помимо схемы усилителя, датчик Холла требует дополнительных схем, поскольку это линейный преобразователь.

Плюсы:

1. Может использоваться на высоких частотах.
2. Может использоваться как в переменном, так и в постоянном токе.
3. Бесконтактный метод.
4. Может использоваться в "суровых" условиях.
5. Надежность.

Минусы:

1. Датчик дрейфует и требует компенсации.
2. Для полезного вывода требуется дополнительная схема.
3. Более дорогой, чем метод, основанный на шунтировании.

Датчики Холла используются в токовых клещах, а также во многих промышленных и автомобильных устройствах измерения тока. Многие типы линейных датчиков Холла могут измерять ток от нескольких миллиампер до тысяч ампер. В связи с этим приложение Smart Grid Monitoring также использует датчик Холла для контроля тока в проводнике.

Метод измерения тока с помощью феррозондового датчика

Насыщающийся индуктор (катушка индуктивности) является основным компонентом феррозондового метода измерения тока. В связи с этим феррозондовый датчик называется датчиком тока насыщающейся индуктивности. Сердечник индуктора, который используется для феррозондового датчика, работает в области насыщения. Уровень насыщения этого индуктора очень чувствителен и любая внутренняя или внешняя плотность потока изменяет уровень насыщения индуктора. Проницаемость сердечника прямо пропорциональна уровню насыщения, следовательно, меняется и индуктивность. Это изменение значения индуктивности анализируется феррозондовым датчиком для определения тока. Если ток высокий, индуктивность становится меньше, если ток низкий, индуктивность становится высокой.

Датчик Холла работает аналогично феррозондовому датчику, но между ними есть одно отличие. Разница заключается в основном материале. В датчике феррозонда используется насыщающийся индуктор, а в датчике Холла используется воздушный сердечник.

На изображении выше показана базовая конструкция феррозондового датчика. Вокруг насыщающегося сердечника индуктивности намотаны две катушки: первичная и вторичная. Изменения в потоке тока могут изменить проницаемость сердечника, что приведет к изменению индуктивности другой катушки.

Плюсы:

1. Может измерять в широком диапазоне частот.
2. Имеет большую точность.
3. Малое смещение.

Минусы:

1. Высокое вторичное энергопотребление
2. Фактор риска увеличивается из-за шума напряжения или тока в первичном проводнике.
3. Подходит только для постоянного или низкочастотного переменного тока.

Феррозондовые датчики используются в солнечных инверторах для измерения тока. Помимо этого, измерение переменного и постоянного тока в замкнутом контуре можно легко выполнить с помощью феррозондовых датчиков. 

Метод измерения тока с помощью катушки Роговского

Катушка Роговского названа в честь немецкого физика Вальтера Роговского. Катушка Роговского изготовлена ​​с использованием катушки с воздушным сердечником спиральной формы и намотана вокруг целевого проводника для измерения тока.

На изображении выше катушка Роговского показана с дополнительной схемой. Дополнительная схема представляет собой интеграторную схему. Катушка Роговского обеспечивает выходное напряжение в зависимости от скорости изменения тока в проводнике. Для создания выходного напряжения, пропорционального току, требуется дополнительная схема интегратора.

Плюсы:

1. Это хороший метод обнаружения быстрого изменения высокочастотного тока.
2. Безопасная эксплуатация с точки зрения обращения со вторичной обмоткой.
3. Недорогое решение.
4. Гибкость в использовании благодаря разомкнутой конструкции.
5. Температурная компенсация не является сложной задачей.

Минусы:

1. Подходит только для переменного тока
2. Имеет меньшую чувствительность, чем трансформатор тока.

Катушка Роговского имеет широкий спектр применения. Например, измерение тока в мощных модулях, особенно на МОП-транзисторах, мощных транзисторах или IGBT. Катушка Роговского обеспечивает гибкие возможности измерения. Поскольку реакция катушки Роговского очень быстрая при переходных процессах или высокочастотных синусоидальных волнах, она является хорошим выбором для измерения высокочастотных переходных процессов в линиях электропередачи. При распределении электроэнергии или в интеллектуальных сетях катушка Роговского обеспечивает превосходную гибкость при измерении тока.

Метод измерения тока с помощью трансформатора тока

Трансформатор тока используется для измерения тока по вторичному напряжению, пропорциональному току во вторичной обмотке. Это промышленный трансформатор, который преобразует большое значение напряжения или тока в гораздо меньшую величину во вторичной обмотке. Измерение производится на вторичном выходе.

На изображении выше показана конструкция трансформатора тока. Это идеальный трансформатор трансформатора тока с соотношением первичной и вторичной обмотки 1:N. N зависит от характеристик трансформатора. Подробнее о принципах работы трансформаторов можно прочитать здесь, а о различных типах трансформаторов и их применении - в этой статье.

Плюсы:

1. Большая пропускная способность по току, больше, чем у других методов, показанных в этой статье.
2. Не требуют дополнительных схем.

Минусы:

1. Требует обслуживания.
2. Гистерезис возникает из-за намагничивания.
3. Высокий первичный ток насыщает материалы ферритового сердечника.

Метод измерения тока на основе трансформатора тока в основном используется в электросетях из-за очень высокой способности измерения тока. Некоторые токовые клещи также используют трансформатор тока для измерения переменного тока.

Метод измерения тока с помощью шунтирующего резистора

Это наиболее часто используемый метод в современных методах измерения тока. Этот метод основан на законе Ома.

Для измерения тока используется последовательно включенный резистор низкого номинала. Когда ток протекает через резистор малого номинала, на резисторе возникает разность напряжений.

Рассмотрим пример. Предположим, через резистор сопротивлением 1 Ом течет ток силой 1 А. Согласно закону Ома, напряжение эквивалентно силе тока, умноженной на сопротивление. Следовательно, когда ток 1 А протекает через резистор сопротивлением 1 Ом, на резисторе создается напряжение 1 В. Мощность резистора является критическим фактором, который следует учитывать. Однако на рынке также доступны резисторы очень малых номиналов, сопротивление которых находится в диапазоне миллиОм. В таком случае разность напряжений на резисторе также очень мала. Для увеличения амплитуды напряжения требуется усилитель с высоким коэффициентом усиления, и, наконец, ток измеряется с использованием обратного метода расчета.

Альтернативный подход для этого типа метода измерения тока заключается в использовании дорожки печатной платы в качестве шунтирующего резистора. Поскольку медная дорожка печатной платы имеет очень маленькое сопротивление, ее можно использовать для измерения тока. Однако при таком альтернативном подходе некоторые зависимости также представляют собой серьезную проблему для получения точного результата. Основным фактором, меняющим правила игры, является температурный дрейф. В зависимости от температуры сопротивление трассы изменяется, что приводит к ошибке. Эту ошибку необходимо компенсировать в приложении для измерения тока.

Плюсы:

1. Очень экономичное решение
2. Можно измерять как переменный, так и постоянный ток.
3. Дополнительное оборудование не требуется.

Минусы:

1. Не подходит для работы с более высоким током из-за рассеивания тепла.
2. Шунтовое измерение приводит к ненужному снижению эффективности системы из-за потерь энергии на резисторе.
3. Температурный дрейф приводит к возникновению ошибок при использовании при высоких температурах.

Применение шунтового резистора включает в себя цифровой амперметр. Это точный и более дешевый метод, отличный от датчика Холла. Шунтирующий резистор также может обеспечивать путь с низким сопротивлением и позволяет электрическому току проходить из одной точки в другую точку цепи.

Как выбрать правильный метод измерения тока?

Выбор правильного метода измерения тока не является сложной задачей. Для выбора правильного метода необходимо учитывать несколько факторов, таких как:

1. Какая точность нужна?
2. Требуется измерение постоянного или переменного тока или обоих?
3. Какая потребляемая мощность требуется?
4. Каков текущий диапазон и полоса пропускания, которые необходимо измерить?
5. Стоимость.

Помимо этого, также необходимо учитывать приемлемую чувствительность и подавление помех. Поскольку невозможно удовлетворить все факторы, приходится идти на некоторые компромиссы, чтобы компенсировать одну функцию по отношению к другой в зависимости от приоритета требований приложения.

48 просмотров