Diferencialna tokovna tipala na podlagi Hallovega učinka
Nova rešitev za merjenje toka.
Rutronik GmbH
Avthor: Jens Rheinstädter, vodja prodaje analognih izdelkov in tipal pri podjetju Rutronik
2021-300-28
Digitaliziramo, cenimo zeleno električno energijo in delamo na internetu stvari ter industriji 4.0 – velikih projektih, ki jih je treba zagotoviti za nenehno rastoče svetovno prebivalstvo. Da bi to dosegli, bomo v prihodnosti potrebovali električno energijo iz pravega vira, v pravi količini in na pravem mestu.
Tokovna tipala nam s svojo prilagodljivostjo in raznolikostjo pomagajo spremljati ter uravnavati porabo energije. Vendar pa imajo tudi omejitve: vzporedni tokovi in elektromagnetno sevanje povzročajo motnje, ki popačijo ali motijo rezultate meritev. Če ima tokovno tipalo možnost izločitve teh sipanih polj, se s tem razširi njegovo področje uporabe in se mu odprejo vrata v načine uporabe za prihodnost.
Tokovna tipala na podlagi Hallovega učinka z dušenjem sipanih polj so na voljo v različnih izvedbah pri le nekaj proizvajalcih. Belgijski proizvajalec Melexis je predstavil kompaktno in zelo robustno tokovno tipalo za natančno merjenje enosmernih ter izmeničnih tokov v visokonapetostnih močnostnih sistemih. Glavni trgi za MLX91220 so avtomobilska industrija, industrijski sistemi in obnovljivi viri energije.
-
- Slika 1: Blokovni diagram tokovnega tipala MLX91220 (ohišje SOIC16). Vse slike: Melexis
-
- Slika 2: Bipolarni in unipolarni izhod tokovnega tipala MLX91220
Koncept
Tipalo MLX91220 deluje z lastno zasnovo podjetja Melexis: Tokovno tipalo meri diferencialno magnetno polje, ki ga ustvari tok v bakrenem okvirju s priključki integriranega vezja v standardnem ohišju SMD. To omogoča zelo nagel odziv in veliko odpornost proti zunanjim sipanim poljem in presluhom. Zaradi tega je idealen za kompaktno močnostno elektroniko in načine uporabe, ki zahtevajo veliko hitrost. Ima dodatni priključek za zaznavanje previsokega toka (angl. Over Current Detection – OCD) z odzivnim časom 2 µs, ki zazna možne uničujoče previsoke tokove in/ali kratke stike, da je mogoče v najkrajšem času izklopiti ali zaščititi močnostno elektroniko.
Tovarniško umerjena rešitev po sistemu »priključi in uporabljaj« z osnovno izolacijo
Izhod tipala za vsako integrirano vezje je tovarniško umerjen za določen razpon toka. Njegova kompenzacija zagotavlja optimalno stabilnost skozi celotno življenjsko dobo, med drugim tudi glede temperature – in s tem dolgoročno točnost.
Tokovna tipala oddajajo linearni analogni signal, ki je sorazmeren toku, ki teče neposredno skozi okvir s priključki integriranega vezja. Pri načinih uporabe z enosmernim tokom ga je mogoče nastaviti tako, da meri tok samo v eno smer. S tem pridobimo večji izhodni razpon in boljšo ločljivost.
Tipalo MLX91220 omogoča preprosto integracijo. Plošče za preizkušanje so zasnovane za stalen tok 32 Arms in vršne vrednosti toka 100 A in več. Predstavljajo celovito rešitev po sistemu »priključi in uporabljaj«, saj ne potrebujejo zunanjih oklopov in jeder. Poleg tega ne poznajo nasičenosti ali histereze feromagnetnih materialov in ne potrebujejo umerjanja pri končni stranki. Plošče so na voljo z ohišjem SOIC-8 z nazivno izolacijsko napetostjo 2,4 kVrms in širokim ohišjem SMD SOIC-16 z osnovno izolacijo za napetost 4,8 kVrms skladno z IEC/UL 62368.
-
- Slika 3: Preizkusna plošča za tokovno tipalo MLX91220 v ohišju SOIC-16
-
- Slika 4: Tipičen šum glede na vhodno vrednost pri MLX91220 z občutljivostjo 80 mV/A pri 5 V
-
- Slika 5: Fiksni in proporcionalni način MLX91220, umerjen na 5 V
Tokovna tipala za nove mikrokrmilnike
Za podporo novejšim trendom mikrokrmilnikov se nova generacija integriranih tokovnih tipal osredotoča na dodatne funkcije, kot so priključek OCD in druga napajalna napetost (3,3 V). Izboljšano razmerje signal/šum (angl. Signal to Noise Ratio – SNR) zagotavlja večjo uporabno ločljivost in integriteto signala za A/D-pretvornike v verigi za obdelavo signalov, hkrati pa je pasovna širina za kar štirikrat večja kot pri prvi generaciji tipal MLX91210.
Fiksni in proporcionalni način
Tokovno tipalo lahko glede na način uporabe uporabljate v dveh načinih. Pri obeh je izhodna napetost sorazmerna toku, razlika pa je v izhodnem signalu.
V proporcionalnem načinu se izhodna napetost povečuje z napajalno napetostjo VDD. Odmik ničle znaša pri bipolarnih načinih uporabe 50 % VDD, pri unipolarnih pa 10 %.
V fiksnem načinu je izhod odporen proti nihanjem napajalne napetosti. Izhodna napetost vedno ustreza vrednosti VREF, kadar skozi primarni vodnik ni toka (0 A). Pri različici za 5 V znaša 2,5 V, pri različici za 3,3 V pa 1,65 V v bipolarnem načinu ali 0,5 V v unipolarnem načinu, ne glede na VDD. Vendar pa je mogoče za izhodni signal uporabiti tudi zunanji referenčni signal, ki prihaja iz aplikacijske plošče in ga uporablja tipalo.
-
- Slika 6: Prikaz uporabe tokovnega tipala MLX91220 v ohišju SOIC-16
-
- Osnovni parametri notranjega in zunanjega zaznavanja previsokega toka (OCD)
Prepoznavanje previsokega toka
V ohišju SOIC16 ponuja tipalo MLX91220 dve funkciji OCD, ki omogočata zaznavanje previsokega toka na primarju integriranega tokovnega tipala. Notranja funkcija (OCDint) je umerjena tovarniško in je lahko nastavljena na pragovno vrednost od 20 do 288 % merilnega območja.
Zunanjo funkcijo OCD (OCDext) lahko stranka nastavi z uporovnim delilnikom (glejte Rext in Rext_bi na sliki 4). Pragovna vrednost je omejena z izhodnim razponom. Najpomembnejši parametri obeh postopkov so prikazani v tabeli.
Slika 6 kaže dvosmerno konfiguracijo zunanje funkcije OCD.
Tukaj velja:
VOCEXT = VREF * Rext_bi / (Rext + Rext_bi)
Iz VOCEXT lahko določimo dve pragovni vrednosti:
Lower threshold = VOCEXT
Higher threshold = 2. VREF – VOCext
Če je VOUT zunaj območja, ki ga določata pragovni vrednosti, se priključek OCDext, izveden z odprtim ponorom, poveže z ozemljitvijo.
Zaključek
MLX91220 je idealna rešitev za majhne, robustne, točne in cenovno ugodne meritve toka. Njegova glavna prednost je, da združuje tipalo, obdelavo signala in izolacijo na površini nekaj kvadratnih milimetrov, njegove toplotne izgube pa so zelo majhne, kar je pomembna prednost v primerjavi s klasičnimi vezji s soupori.
MLX91220 je mogoče prilagoditi potrebam stranke glede na merilno območje toka, polarnost toka, proporcionalni ali fiksni izhod, mejo zaznavanja previsokega toka in napajalno napetost (3,3 V za MLX91221 ali 5 V za MLX91220). Na voljo je v ohišjih SOIC-8 in SOIC-16 za različne stopnje osnovne izolacije (2,4 kVrms ali 4,8 kVrms) in z ustreznimi razdaljami za preprečevanje plazilnih tokov ter zadostne izolacijske razdalje.
To pomeni, da je tokovno tipalo MLX91220 primerno za zelo širok spekter uporabe: V avtomobilski industriji je odlično za merjenje toka na visokonapetostni strani pretvornikov DC/DC in merjenje faznega toka 50/60 Hz na vhodu polnilnikov vozil (angl. On-Board Charger – OBC), običajno kot del sistema za popravljanje faktorja moči (angl. Power Factor Correction – PFC). Drugi načini uporabe v avtomobilski industriji vključujejo nadzor toka grelnikov PTC in kompresorskih sistemov HVAC (ogrevanje, prezračevanje ter klimatizacija) in nadzor razdeljevanja toka v električnem omrežju vozila za 12 V ter v omaricah z varovalkami.
V sistemih za industrijo je primeren za široko paleto od majhnih pogonov in servomotorjev do napajalnikov (brezprekinitvenih in stikalnih napajalnikov), solarnih sistemov, meritev enosmernega vhodnega toka, meritev v pretvornikih s sledenjem točki maksimalne moči (angl. Maximum Power Point Tracking – MPPT), sistemov HVAC in industrijskih polnilnikov do 20 kW. Poleg tega omogoča tokovno tipalo MLX91220 tudi bolj energetsko učinkovite elektromotorje in boljšo diagnostiko ter nadzor bele tehnike – prav ta nadzor pa je temelj za koncepte, kot sta vzdrževanje s predvidevanjem (angl. Predictive Maintenance) ali internet stvari.
