Большие токи, протекающие по длинному кабелю, можно измерить по падению напряжения на кабеле. Это исключает необходимость использования громоздкого шунта или дорогостоящего магнитного метода измерения. Однако точность ограничена температурным коэффициентом меди (+0.39%/°C).
Компенсацию могут облегчить датчики температуры, но они являются устройствами точечного измерения, актуальность которых сомнительна на всей длине кабеля. Учтите, что всего 2.5° погрешности или отличия от температуры кабеля вносят 1% ошибки.
Если при максимальном токе на кабеле падает хотя бы 10 мВ, это напряжение можно легко измерить с помощью современных усилителей с нулевым дрейфом нуля (с автообнулением, с модуляцией-демодуляцией и т. д.). Они обладают сверхнизким смещением, что позволяет точно определять падения напряжения при низких напряжениях полной шкалы.
Осталось решить, что делать с температурным коэффициентом. Решение, предложенное в этой статье, основано на том факте, что сильноточные кабели состоят из множества тонких жил. В данном примере будет использован кабель AWG 4 (21.15 мм2) с 1050 жилами провода AWG 34 (0.02 мм2).
На Рисунке 1 неинвертирующий вход операционного усилителя воспринимает напряжение, падающее на нагрузочном конце кабеля. MOSFET находится в цепи выхода/обратной связи, которая продолжается через жилу, измеряющую температуру, – то, что обычно является резистором, задающим коэффициент усиления, – и заканчивается на источнике питания. Схема создает падение напряжения на этом задающим усиление элементе, которое в точности равно падению на основном кабеле. В этом случае, конечно, элементом, задающим усиление, является одиночная изолированная жила (лакированная, как, например, обмоточный провод) провода калибра 34, встроенная в специально изготовленную изолированную кабельную сборку, включающую сильноточный кабель.
| Рисунок 1. | Термокомпенсированное измерение большого тока с использованием «пропорционального» кабеля. |
Сопротивления проводов, согласно [1]:
AWG 34 = 265.8 Ом/1,000 футов;
AWG 4 = 0.248 Ом/1,000 футов.
Например, 0.474 фута провода калибра 4 имеют сопротивление 117.6 мкОм, на котором при входном токе IIN = 85 А падает напряжение 10 мВ; IOUT = 80 мА.
Поскольку кабель состоит из 1050 жил, при такой конфигурации через MOSFET и элемент, задающий усиление, будет протекать ток, пропорциональный общему току, деленному на 1050. Так как задающий усиление элемент, как и кабель, состоят из меди и находятся в тесном тепловом контакте, температурная зависимость выходного сигнала исключается.
Ток обратной связи вытекает из стока MOSFET через резистор RLOAD в землю, создавая выходное напряжение, привязанное к земле.
Использование проволочной жилы решает две основные проблемы, связанные с другими датчиками температуры:
- Провод представляет собой «распределенный» датчик, который проходит по всей длине кабеля и лучше воспринимает общее воздействие температуры.
- Поскольку провод, как и основной кабель, состоят из меди, температурная компенсация идеальна.
Реальные тесты
В нашей тестовой установке использовались четыре фута кабеля JSC 1666 AWG 4 (Рисунок 2). Изоляция была разрезана по всей длине, и обмоточный повод калибра 34 был вставлен под изоляцию. В схеме использовался операционный усилитель NCS333. Поскольку синфазное напряжение операционного усилителя равно напряжению питания, он должен иметь rail-to-rail вход (или нужно использовать более высокое напряжение питания). Более того, это должен быть усилитель с нулевым дрейфом (с модуляцией и демодуляцией), так как стандартные rail-to-rail операционные усилители обычно имеют плохие характеристики вблизи напряжения положительной шины питания.
| Рисунок 2. | Тестовая установка. Поскольку длина измерительного провода влияет на абсолютную точность, два серых провода, соединяющих его с платой, имеют больший диаметр. |
Результаты измерений
RLOAD = 50 Ом 1%.
Без нагрузки VOUT равно 94 мкВ.
При токе нагрузки 10 А VOUT = 454.6 мВ (ошибка 5.85%).
При токе нагрузки 58 А VOUT = 2.604 В (ошибка 5.7%).
Затем эта установка была помещена в температурную камеру и испытана в диапазоне от комнатной температуры до 100 °C. Она продемонстрировала менее 0.1% дополнительной ошибки. Вклад в эту погрешность могут вносить несколько факторов, таких как дрейф смещения операционного усилителя, а также влияние эффектов сопротивления и термопары на концах кабеля.
Вклад разброса характеристик проводов в погрешности
Пытаясь понять, чего можно достичь при использовании реальных кабелей, я нашел следующие данные по проводам, показывающие, что для проводов калибра 34 допуск составляет 2% (Таблица 1). Можно ожидать, что общий разброс для калибра 4 будет аналогичным. Это говорит о том, что коммерческий провод, изготовленный с соблюдением стандартных допусков, будет иметь предел точности 4% только за счет кабеля. Электроника добавит к этому еще немного, но, конечно, может быть подстроена пользователем или согласована с используемым кабелем.
| Таблица 1. | Характеристики проводов | ||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||
В заключение отметим, что создание кабеля, выполняющего эту функцию, кажется трудоемким. Эта концепция была инициирована и ориентирована на OEM-производителей, которые могли бы заказать специальный кабель, включающий одну эмалированную жилу, выполняющую роль резистора, определяющего коэффициент усиления. В электрических и гибридных автомобилях имеется множество сильноточных кабельных линий, которыми OEM-производители могли бы воспользоваться, отказавшись от больших шунтов. Этот метод может обеспечить точность и температурные характеристики, которые окажутся конкурентоспособными по сравнению с магнитными датчиками, но при меньшей стоимости, особенно в промышленных объемах.
При небольших объемах можно намотать или иным образом закрепить чувствительную жилу на внешней стороне кабеля; при этом сохранится преимущество распределенного измерения температуры. Из-за изоляции кабеля измерение будет более чувствительным к температуре окружающей среды при менее точной и замедленной реакции на фактическую температуру меди кабеля.
Ссылки
- Solid & Stranded Tinned Copper Wire Table
Материалы по теме
- Datasheet ON Semiconductor NCS333
