Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №9

Многообразие микросистемных инноваций: новые технологии и игроки. Часть 1

Сысоева Светлана


Микросистемы — самое емкое из известных определений, обобщающее МЭМС и CMOS — технологии, классифицируемые как МЭМС или смежные с МЭМС. Многие из этих технологий сейчас находятся в стадии зрелости, некоторые только входят в стадию коммерциализации. Независимо от этого, их теоретическое и практическое значение не уменьшается — оно состоит в том, чтобы показать все возможное многообразие и широкую применимость микросистемных технологий в различных сферах.

Для гибридов, электромобилей и авто на топливных элементах, вносящих ощутимый вклад в борьбу за чистоту окружающей среды, а также для двигателей со встроенным источником питания необходима такая функция, как способность системы отслеживать и точно контролировать ток электромотора в режиме движения и токи заряда/разряда аккумуляторной батареи. Количество датчиков как ключевых компонентов, служащих «глазами» системы мониторинга, на борту таких автомобилей значительно выросло.

В таблице 1 представлено сравнение самых распространенных на рынке датчиков тока. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в точности, изоляционных свойствах, типе измеряемого тока, количестве компонентов, потреблении тока и стоимости. Выбор типа датчика обусловлен конкретным применением и специфическими требованиями.

Таблица 1. Основные типы датчиков тока

Метод измерения Метод резисторного шунта Метод токового трансформатора Магнито-пропорциональный метод Метод магнитного баланса
Чувствительный элемент Резисторный шунт Датчик Холла Датчик Холла
Точность Низкая Очень низкая Высокая Очень высокая
Изоляция Очень низкая Высокая Высокая Высокая
Измеряемый ток AC/DC AC AC/DC AC/DC
Количество компонентов Большое Среднее Среднее Низкое
Потребление тока Cреднее Низкое Низкое Cреднее
Стоимость Низкая Низкая Средняя Высокая

Требования, предъявляемые к автомобильным датчикам

Возможность измерять как постоянный, так и переменный ток

Аккумуляторные батареи автомобиля обеспечивают питание постоянным током, но в транспортных средствах также используется и переменный ток. Поэтому есть необходимость измерять оба типа тока и, следовательно, токовый трансформатор, который не может измерять постоянный ток, не пригоден для использования.

Высокая точность

Контроль токов инвертора и ЭД гибридного автомобиля, особенно токов заряда/разряда аккумулятора, производится методом расчета на основании данных от нескольких датчиков. Погрешности измерений всех датчиков суммируются, а это значит, что в данном применении к точности показаний предъявляются высокие требования. Более того, датчик тока должен обладать высокой точностью измерения в широком температурном диапазоне. Это требование делает непригодными в данных условиях токовый трансформатор и резисторный шунт.

Высокие изоляционные свойства

В большинстве случаев на автомобилях используются высоковольтные аккумуляторные батареи (АБ) напряжением в несколько сотен вольт. Это означает, что есть необходимость полностью изолировать АБ от низковольтных электрических цепей и блоков управления, а значит, датчик тока, который разделяет высоко- и низковольтную часть, должен быть бесконтактным и низкоиндуктивным. Неизолированный резисторный шунт в таких случаях можно использовать, только если его дополнить трансформатором или оптопарой, а это приведет к ненужному усложнению схемы.

Высокая надежность

Автомобильные стандарты устанавливают жесткие требования к оборудованию в условиях воздействия электростатического электричества, импульсных помех, резких перепадов температуры, вибрации и ударных нагрузок.

Японская компания TDK разработала датчик тока SAA-200, первый в одноименной серии. Он был установлен на многие автомобили и получил высокую оценку за свою стабильную работу в составе системы.

Особенности датчика SAA-200

Для достижения необходимой точности наиболее подходящими являются магнито-пропорциональный метод и метод магнитного баланса. Компания TDK в своих датчиках (рис. 1) использовала метод магнитного баланса, так как он позволяет достичь максимальной точности. Принцип работы (рис. 2) данного метода заключается в следующем.

Внутреннее устройство датчика SAA-200

Рис. 1. Внутреннее устройство датчика SAA-200


Принцип работы высокоточного датчика SAA-200

Рис. 2. Принцип работы высокоточного датчика SAA-200: I1 (A) — измеряемый ток;
N1 (виток) — количество витков проводника с измеряемым током; I2 (A) — ток катушки обратной связи;
N2 (виток) — количество витков катушки обратной связи в соответствии с уравнением

В воздушный зазор сердечника из магнитомягкого материала с высокой проницаемостью помещается датчик Холла. Магнитный поток В1, пронизывающий датчик Холла, увеличивается или уменьшается пропорционально измеряемому току (кабеля, токовой шины и т. д.), проходящему сквозь сердечник. Сигнал от датчика Холла подается на операционный усилитель, выход которого соединен с катушкой обратной связи, по которой течет ток обратной связи, вызывающий встречный магнитный поток В2. Обмотка обратной связи сделана так, чтобы магнитный поток В2 был равен В1.

Пример

I1×N1 = I2×N2.

Если I1 = 200 A, N1 = 1 виток, N2 = 4000 витков, то имеем: 200×1 = I2×4000 = 200 A. Отсюда получаем I2 = 0,05 A.

Этот означает, что через измерительный резистор протекает ток 0,05 A. Таким образом, измеряемый ток I1 определяется путем измерения напряжения на резисторе. Этот общепринятый метод обеспечивает отличную стабильность и точность.

Линейность выходной характеристики

При использовании магнито-пропорционального метода магнитный поток в сердечнике возрастает пропорционально увеличению измеряемого тока, и предел измерения тока определяется уровнем, при котором происходит насыщение сердечника (рис. 3). В отличие от этого при использовании метода магнитного баланса магнитный поток внутри сердечника равен нулю — благодаря уравнивающему магнитному потоку, вызванному действием катушки обратной связи, как описано выше. Магнитное насыщение отсутствует даже при измерении больших токов, и линейность выходной характеристики всегда очень хорошая и не зависит от линейности характеристики датчика Холла (теоретически выходная характеристика абсолютно линейна).

Пример выходной характеристики

Рис. 3. Пример выходной характеристики

Температурная стабильность

Коэффициент усиления датчика Холла в сильном магнитном поле зависит от окружающей температуры, поэтому и точность измерения тока также зависит от температуры. Однако на датчик тока, сделанный по методу магнитного баланса, влияет только температурный сдвиг, а в целом температурная характеристика близка к идеальной и обеспечивает высокую точность измерения в широком температурном диапазоне.

Дальнейшее развитие

Напряжение источников питания в 5 В (рис. 4) становится общепринятым для последнего поколения электронных блоков управления (табл. 2). Кроме того, дабы соответствовать требованиям рынка, вместо источников тока все чаще используют источники напряжения — из-за простоты их использования. В то же время диапазон измерения тока планируется расширить с ±200 до ±300 A.

Характеристика датчика нового поколения

Рис. 4. Выходная характеристика датчика нового поколения

Таблица 2. Сравнение датчиков текущего и нового поколений

Параметры Текущее поколение датчиков Новое поколение датчиков тока
Метод Магнитный баланс Магнитный баланс
Напряжение ИП ±12 В +5 В
Выходной параметр Выходной ток Выходное напряжение
Примеры +200 А → +50 мA +200 А → +4,5 В
0 А → 0 мА 0 А → +2,5 В
–200 А → –50 мА –200 А → +0,5 В

Особенности датчиков SAA-200 (рис. 5, табл. 3):

  • выходная характеристика с отличной помехоустойчивостью;
  • высокая точность измерений, не зависящая от величины измеряемого тока и окружающей температуры;
  • бесконтактный метод, обеспечивающий полную изоляцию от токоведущих шин (электрических проводов).
а) Внешний вид датчика; б) форма и размеры

Рис. 5. а) Внешний вид датчика; б) форма и размеры

Таблица 3. Основные характеристики датчика SAA-200

Характеристика Диапазон
Измеряемый ток, А –200…+200
Рабочее напряжение, В ±12±5%
Рабочий диапазон температуры, °C –40…+80
Коэффициент трансформации тока 4000/1
Точность измерения, А ±0,8 (max)
Погрешность усиления, % ±0,4 (max)
Суммарная погрешность, A +0,8 (max) при температурах –30…–80 °C
±1,1 (max) при температурах –40…–30 °C
Потребляемый ток, мА (не включает выходной ток) 25 (max)
Время срабатывания, мкс 10 (max)
Сопротивление изоляции, МОм 100 (min)

Будучи установленным на транспортные средства, датчик успешно прошел тесты на надежность. На рис. 6 представлен пример работы датчика.

Осциллограмма времени отклика

Рис. 6. Осциллограмма времени отклика:
T1 — диаграмма измеряемого тока: время нарастания от 10 до 90% (200 A) составляет 7,38 мкс;
T2 — диаграмма выходного тока датчика: время нарастания от 10 до 90% — 8,6 мкс;
T3 — время отклика: T3 = T2–T1 = 8,6–7,38 = 1,22 мкс

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке