جریان یک عامل بسیار مهم در الکترونیک یا مهندسی برق است. در الکترونیک، جریان می‌تواند دامنه‌ای از چند نانو آمپر تا صدها آمپر داشته باشد. همچنین این دامنه می‌تواند به طور گسترده‌ای در حدود چند هزار آمپر و حتی وسیع‌تر، به ویژه در شبكه‌های برق جریان داشته باشد. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جریان در داخل مدار یا هادی وجود دارد. در این مقاله، ما در مورد چگونگی اندازه‌گیری جریان با استفاده از تکنیک‌های مختلف سنجش جریان با مزایا، معایب و کاربردهای آنها بحث خواهیم کرد.
روش سنجش جریان سنسور اثر‌هال
اثر‌هال توسط فیزیکدان آمریکایی ادوین هربرت هال کشف شده و می‌توان از آن برای سنجش جریان استفاده کرد. به طور کلی برای تشخیص میدان مغناطیسی استفاده می‌شود و می‌تواند در بسیاری از برنامه‌ها مانند سرعت‌سنج، زنگ درب، BLDC مفید باشد.
سنسور اثر‌هال بسته به میدان مغناطیسی، ولتاژ خروجی تولید می‌کند. نسبت ولتاژ خروجی متناسب با میدان مغناطیسی است. در طی فرآیند سنجش، جریان با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی محاسبه می‌شود. ولتاژ خروجی بسیار کم است و باید با استفاده از تقویت‌کننده‌ای افزاینده با نویز بسیار کم، تا مقدار موثر تقویت شود. جدا از مدار تقویت‌کننده سنسور Hall Effect، به مدارهای دیگری نیاز دارد زیرا که یک مبدل خطی است.
جنبه مثبت
- می‌تواند در فرکانس بالاتر استفاده شود.
- هم در AC و هم در DC به طور دقیق قابل استفاده است.
- روش مبتنی بر عدم تماس است.
- می‌تواند در یک محیط خشن استفاده شود.
- قابل اعتماد است.
جنبه منفی
- سنسور منحرف می‌شود و نیاز به جبران دارد.
- مدار اضافی دیگری برای خروجی مفید نیاز دارد.
- هزینه بیشتر نسبت به روش مبتنی بر شنت.
سنسورهای Hall Effect در کلمپ‌ها و همچنین در بسیاری از کاربردهای اندازه‌گیری جریان‌های صنعتی و اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسیاری از انواع سنسورهای اثر‌هال می‌توانند جریان را از چندین میلی آمپر تا هزار آمپر اندازه‌گیری کنند. به همین دلیل، برنامه نظارت بر شبکه هوشمند از یک نوع مختلف سنسور اثر‌هال برای نظارت بر جریان هادی استفاده می‌کند.
روش سنجش جریان سنسور Flux Gate
یک سلف اشباع، مولفه اصلی روش سنجش Fluxgate است. به همین دلیل، سنسور Fluxgate به عنوان حسگر جریان القایی اشباع شده نامیده می‌شود. هسته سلفی که برای سنسور fluxgate استفاده می‌شود در منطقه اشباع کار می‌کند. سطح اشباع این سلف بسیار حساس است و هرگونه تراکم شار داخلی یا خارجی باعث تغییر میزان اشباع سلف می‌شود. نفوذ‌پذیری هسته به طور مستقیم با سطح اشباع متناسب است، از این رو اندوکتانس نیز تغییر می‌کند. این تغییر در مقدار سلف به وسیله‌ی حسگر گیت شار برای سنجش جریان، آنالیز می‌شود. اگر جریان زیاد باشد، اندوکتانس کم می‌شود، و اگر جریان کم باشد، اندوکتانس زیاد می‌شود.
سنسور اثر‌هال مانند سنسور fluxgate کار می‌کند، اما یک تفاوت بین آنها وجود دارد. تفاوت در مواد اصلی است. سنسور Flux Gate از یک سلف اشباع شده استفاده می‌کند اما سنسور اثر‌هال از هسته‌ی هوایی استفاده می‌کند.
در تصویر بالا، ساختار اصلی یک سنسور گیت شار نشان داده شده است. دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه دور هسته سلف اشباع شده پیچیده شده است. تغییرات در گردش جریان می‌تواند نفوذ‌پذیری مغناطیسی هسته را تغییر دهد و در نتیجه باعث تغییر اندوکتانس در سیم‌پیچ دیگر شود.
جنبه مثبت
- می‌تواند در طیف گسترده‌ای از فرکانس اندازه‌گیری شود.
- از دقت بالایی برخوردار است.
- انحراف کم
جنبه منفی
- مصرف برق ثانویه بالا
- عامل خطرناک برای نویز ولتاژ یا جریان در هادی اولیه افزایش می‌یابد.
- فقط برای جریان مستقیم یا فرکانس پایین AC مناسب است.
حسگرهای Fluxgate در اینورترهای خورشیدی برای سنجش جریان استفاده می‌شوند. به غیر از این، اندازه‌گیری جریان متناوب AC و DC با حلقه بسته به راحتی با استفاده از سنسورهای Flux Gate انجام می‌شود. روش سنجش جریان Flux Gate همچنین می‌تواند در اندازه‌گیری جریان نشتی، تشخیص جریان بیش از حد و غیره استفاده شود.
روش سنجش جریان سیم‌پیچ Rogowski
سیم‌پیچ روگوسکی به نام والتر روگوفسکی فیزیکدان آلمانی نامگذاری شده است. سیم‌پیچ Rogowski با استفاده از سیم‌پیچ هسته هوایی مارپیچی شکل و پیچیده شده به دور هسته هدف، برای اندازه‌گیری جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در تصویر بالا، سیم‌پیچ Rogowski با مدارهای اضافی دیگری نشان داده شده است. مدارهای اضافی یک مدار مجتمع است. سیم‌پیچ Rogowski ولتاژ خروجی را بسته به میزان تغییر جریان در هادی فراهم می‌کند. برای ایجاد ولتاژ خروجی متناسب با جریان، یک مدار مجتمع اضافی مورد نیاز است.
جنبه مثبت
- این روش خوبی برای تشخیص سریع تغییر جریان با فرکانس بالا است.
- عملکرد ایمن از نظر کار با سیم‌پیچ ثانویه.
- راه حل کم هزینه.
- انعطاف پذیری از جهت کار با این سیم‌پیچ به دلیل ساخت حلقه باز.
- جبران دما پیچیده نیست.
جنبه منفی
- فقط برای AC مناسب است.
- حساسیت کمتری نسبت به ترانس جریان دارد.
سیم‌پیچ Rogowski طیف گسترده‌ای از کاربردها را در بر می‌گیرد. به عنوان مثال، اندازه‌گیری جریان در ماژول‌های توان بالا، به ویژه در MOSFETها یا ترانزیستورهای قدرت بالا یا در IGBT.
سیم‌پیچ Rogowski گزینه‌ی اندازه‌گیری انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند. از آنجا که پاسخ سیم‌پیچ Rogowski نسبت به موج‌های گذرا یا موج‌های سینوسی فرکانس بالا بسیار سریع است، برای اندازه‌گیری جریان‌های موجی گذرا با فرکانس بالا در خطوط برق انتخاب خوبی است. در توزیع برق یا در شبکه هوشمند، سیم‌پیچ Rogowski انعطاف‌پذیری بسیار خوبی برای اندازه‌گیری‌های جریان فراهم می‌کند.
روش اندازه‌گیری جریان ترانسفورماتور
ترانس جریان یا CT با استفاده از ولتاژ و جریان سیم‌پیچ ثانویه برای سنجش جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ترانسفورماتور صنعتی می‌تواند مقدار زیادی از ولتاژ یا جریان را در سیم‌پیچ ثانویه به مقدار کمتری تبدیل کند. اندازه‌گیری از طریق خروجی ثانویه انجام می‌شود.
در تصویر بالا، ساختار CT نشان داده شده است. این یک ترانسفورماتور CT ایده آل با نسبت اولیه و ثانویه 1: N است. N به مشخصات ترانسفورماتور بستگی دارد.
جنبه مثبت
- ظرفیت جابه‌جایی جریان زیاد، بیش از سایر روش‌های نشان داده شده در این مقاله.
- به مدارهای اضافی نیاز ندارید.
جنبه منفی
- نیاز به تعمیر و نگهداری دارد.
- هیسترزیس (Hysteresis) به دلیل مغناطیس ایجاد می‌شود.
- جریان اولیه زیاد مواد هسته فریت را اشباع می‌کند.
استفاده‌ی اصلی از روش سنجش جریان مبتنی بر ترانسفورماتور CT در شبکه برق به دلیل ظرفیت اندازه‌گیری جریان بسیار بالا است. تعداد کمی از کلمپ‌ها از ترانسفورماتور جریان برای اندازه‌گیری جریان متناوب استفاده می‌کنند.
روش سنجش مقاومت شنت
این روش بیشترین استفاده را در تکنیک‌های سنجش جریان دارد. این تکنیک بر اساس قانون اهم ساخته شده است.
برای سنجش جریان از یک مقاومت با مقدار کم و به طور سری استفاده می‌شود. وقتی جریان از یک مقاومت با مقدار کم عبور می‌کند، باعث ایجاد اختلاف ولتاژ در مقاومت می‌شود.
اجازه دهید مثالی بزنیم.
فرض کنید جریان A1 از طریق یک مقاومت یک اهم عبور می‌کند. مطابق قانون اهم ولتاژ معادل جریان عبوری از مقاومت x است. بنابراین، هنگامی که جریان A1 از طریق یک مقاومت یک اهم عبور می‌کند، V1 در دو سر مقاومت ایجاد می‌شود. وات مقاومت یک عامل حیاتی است که باید در نظر گرفته شود. با این حال، مقاومت‌های بسیار کمی نیز در بازار وجود دارد، جایی که مقاومت در محدوده میلی اهم است. در چنین حالتی، اختلاف ولتاژ در مقاومت نیز بسیار کم است. برای افزایش دامنه ولتاژ به تقویت‌کننده افزاینده نیاز است و در نهایت، جریان با استفاده از مبنای محاسبه معکوس اندازه‌گیری می‌شود.
یک روش جایگزین برای این نوع تکنیک‌های سنجش جریان، استفاده از ترک‌های (مسیر) PCB به عنوان مقاومت شنت است. از آنجا که ترک مس PCB مقاومت بسیار کمی دارد، می‌توان از ترک‌ها برای اندازه‌گیری جریان استفاده کرد. با این حال، این روش نیز نگرانی بزرگی برای به دست آوردن نتیجه دقیق به وجود می‌آورد. عامل اصلی در روش چند مقاومتی (شنت)، تغییر دما است. بسته به دما، مقدار مقاومت‌ها در شنت تغییر می‌کند و در نتیجه خطا ایجاد می‌شود. شخص باید این خطا را در برنامه جبران کند.
جنبه مثبت
- راه حل بسیار مقرون به صرفه
- می‌تواند در AC و DC کار کند.
- تجهیزات اضافی مورد نیاز نیست.
جنبه منفی
- به دلیل اتلاف گرما برای عملکرد جریان بالاتر مناسب نیست.
- اندازه‌گیری شنت به دلیل هدر رفتن انرژی در سطح مقاومت، باعث کاهش غیر ضروری کارایی سیستم می‌شود.
- تلفات حرارتی منجر به خطا در یک برنامه با درجه حرارت بالا می‌شود.
کاربرد مقاومت شنت شامل آمپرمتر دیجیتال است. این یک روش دقیق و ارزان به غیر از سنسور اثر‌هال است. مقاومت شنت همچنین می‌تواند یک مسیر با مقاومت پایین ایجاد کند و به جریان الکتریکی اجازه می‌دهد تا یک نقطه را به نقطه دیگر یک مدار منتقل کند.
چگونه روش اندازه‌گیری جریان را به درستی انتخاب کنیم؟
انتخاب روش مناسب برای سنجش جریان کار دشواری نیست. فاکتورهای کمی وجود دارد که باید برای انتخاب روش مناسب در نظر گرفته شود، مانند:
- چقدر دقت لازم است؟
- اندازه‌گیری DC یا AC یا هر دو؟
- چه مقدار مصرف برق مورد نیاز است؟
- دامنه و پهنای باند جریان برای اندازه‌گیری چقدر است؟
- هزینه
به غیر از این موارد، حساسیت نیز باید در نظر گرفته شود. از آنجا که همه موارد ایده‌آل در یک روش وجود ندارد با توجه به نیاز مسئله، باید ببینیم کدام یک از این موارد برای ما اولویت دارد تا بتوانیم از برخی از معایب چشم پوشی کنیم.
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
