отправка...
Многообразие микросистемных инноваций: новые технологии и игроки. Часть 1
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.
Рис. 1. Внутреннее устройство 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).
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.
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).
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.
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
14 января, 2021