Трансформатори контролю струму для джерел живлення з імпульсним режимом

Точні вимірювання струму в схемі часто необхідні для обмеження перевантаження струмом, оптимізації роботи схеми та керування силовими ланцюгами. Розробники часто використовують трансформатори струму для вимірювання високочастотного змінного струму різних форм, включаючи безперервний та дискретний синусоїдальний, трикутний, трапецієподібний, випрямлений або імпульсний струм у діапазоні від 1 до 100+ ампер, забезпечуючи при цьому гальванічну розв’язку. Розв’язка запобігає утворенню контурів заземлення і необхідна у високовольтних ланцюгах для уникнення шумових перешкод між мережами керування та силовими ланцюгами. Трансформатори струму часто використовуються в системах керування джерелами живлення з імпульсним режимом (SMPS) для моніторингу середнього або пікового струму, необхідного для прийняття рішень щодо роботи та захисту схеми.

Трансформатори струму вимірюють високі рівні струму, при цьому розсіюючи менше потужності, ніж методи резистивного вимірювання, і можуть використовуватися на вищих частотах, що перевищують 1 МГц. Діапазон використовуваних частот залежить від чутливості схеми до похибки вимірювання та фазового кута на частоті, що цікавить. У цьому обговоренні коефіцієнт трансформації — це відношення числа витків вторинної обмотки до первинної (sec : pri), тому "вищий коефіцієнт трансформації" вказує на більше число витків вторинної обмотки. Трансформатори струму зазвичай пропонуються в діапазоні коефіцієнтів трансформації, причому вищі коефіцієнти забезпечують краще співвідношення сигнал/шум у схемі керування, ніж резистивне вимірювання.

Трансформатори контролю струму створюють змінний струм у вторинній обмотці, пропорційний струму, що проходить через первинну обмотку. Струм у вторинній обмотці перетворюється "навантажувальним" резистором – або узгоджувальним резистором (R_T) – у низьку напругу, яку можна легко виміряти в схемі.

Типова схема застосування

Типовий готовий трансформатор контролю струму має первинну обмотку з одним витком і вторинну обмотку з великою кількістю витків. Змінний струм, що проходить через первинну обмотку, створює магнітне поле, яке індукується у вторинній обмотці. Це поле створює напругу на вторинній обмотці та резисторі R_T. З первинною обмоткою з одним витком падіння напруги (V_out) на R_T пропорційне струму через первинну обмотку (Ipri) за такою формулою: Vout = (I_pri × R_T) / N_sec, де N_sec – кількість витків вторинної обмотки. Тому вибір узгоджувального резистора важливий для встановлення правильної максимальної вихідної напруги, що відповідає максимальному очікуваному первинному струму.

Обнулення осердя

Діод, підключений послідовно з вторинною обмоткою трансформатора струму, встановлює магнітний потік осердя на нуль після кожного циклу. Це рекомендується для застосувань з високим робочим циклом. Діод створює напругу на вторинній обмотці для скидання магнітного потоку осердя, одночасно ізолюючи цю напругу від схеми керування.

Також можна використовувати стабілітрон для запобігання перенапрузі на вторинній обмотці. Без діода для обнулення магнітного потоку, потік буде накопичуватися з кожним циклом, що призведе до насичення осердя і заниження виміряного струму. Занижений виміряний струм змусить контролер ще більше збільшити струм, що може призвести до пошкодження схеми.

Точність трансформатора струму

Точність трансформаторів струму визначається як відсоткова похибка у вигляді спаду форми кривої струму, яка з’являється на вторинній обмотці. Розрахунок відсоткової похибки залежить від характеристик трансформатора та умов його експлуатації. Отже, це не є фіксованим значенням для певного трансформатора. Для імпульсу струму (або наростання) відсоткова похибка визначається як %error = (I_max / I_sec) × 100, де I_max – максимальне значення, досягнуте наприкінці імпульсу, а I_sec – струм вторинного намагнічування (I_pri / N_sec). Це рівняння враховує номінальне значення вторинної індуктивності намагнічування, яка зазвичай має допуск ±20%. Тому відсоткова похибка може бути визначена як діапазон або найгірше значення при певному первинному струмі.

Балансування вимог до конструкції

Навіть при найкращих конструкціях закони фізики встановлюють практичні обмеження для досягнення цілей проєктування. Для інженерів це означає, що можуть виникати компроміси між розміром компонентів, обробкою струму та ефективністю. Оптимізація конструкції полягає в балансуванні цих іноді конкуруючих параметрів, щоб досягти всіх цілей проєктування при досягненні найкращих результатів для кожної критичної вимоги.

Готові трансформатори струму зазвичай доступні з різними коефіцієнтами трансформації для кожного розміру корпусу. Вплив вибору нижчого коефіцієнта трансформації порівняно з вищим узагальнено в Таблиці 1, яка передбачає вибір із серії готових трансформаторів із однаковим розміром корпусу для всіх варіантів у серії. Максимальний номінал вимірюваного струму однаковий для всіх коефіцієнтів трансформації в межах серії. У цьому аналізі також передбачається, що кожен R_T вибирається для забезпечення вихідної напруги 1 В на 1 А вхідного струму для вибраного коефіцієнта трансформації. Це забезпечує найкращу можливу частотну смугу пропускання завдяки узгодженню імпедансів джерела та навантаження.

Вищий коефіцієнт трансформації в тому ж розмірі корпусу призводить до вищого опору вторинної обмотки та R_T, що знижує ефективність. Однак аналіз рівняння V_out показує, що вищий коефіцієнт трансформації вимагає нижчого первинного намагнічуючого струму для того ж V_out, що покращує ефективність. Вищий коефіцієнт трансформації (більше витків вторинної обмотки) також означає нижчу щільність потоку, що призводить до менших втрат в осерді, тоді як вища індуктивність розсіювання при високому коефіцієнті трансформації призводить до більших втрат в осерді та меншої ефективності.

При вимірюванні високого струму щільність намагнічувального потоку осердя повинна бути достатньо високою, щоб уникнути насичення осердя. Це вимагає достатньо великого розміру осердя і достатньої кількості витків, обидва з яких суперечать вимозі до меншого розміру компонента. Добре спроєктовані трансформатори струму збалансовують потребу в найменшому розмірі та найвищій можливій ефективності, уникаючи насичення при передбачуваному робочому струмі та частоті. Типова комбінація низького V_out та великої кількості витків вторинної обмотки призводить до низької щільності потоку, тому насичення осердя зазвичай не є проблемою для готових трансформаторів струму.

Вищий коефіцієнт трансформації забезпечує вищу точність, а також створює нижчу щільність потоку, що допомагає уникнути насичення та знижує втрати в осерді, що покращує ефективність.

Таблиця 1

Приклади застосування трансформаторів струму

Малюнок нижче ілюструє вимірювання струму у вторинній обмотці ізоляційного трансформатора за допомогою трансформатора контролю струму з використанням контролера синхронного прямого перетворювача на вторинній стороні LTC3706.

Трансформатор струму: Найвища ефективність, здатний до високого V_out

Проєкт Texas Instruments TIDM-02009, що пройшов оцінку концепції безпеки ASIL D, з високошвидкісною тягою та двонаправленою DC-DC конверсією для застосувань у гібридних електромобілях (HEV) та електромобілях (EV), використовує два трансформатори струму Coilcraft CST2010-100L. Модуль двонаправленого DC/DC перетворювача призначений для зарядки акумулятора низької напруги (12 В) від високовольтної (400/600 В) шини акумулятора при роботі в прямому напрямку і для попередньої зарядки конденсатора шини постійного струму в зворотному напрямку. DC/DC перетворювач використовує техніку керування піковим струмом (PCMC). Трансформатор струму Coilcraft CST2010-100L має коефіцієнт трансформації 1:100 і використовується для вимірювання струму первинної індуктивності для керування PCMC.

Вибір трансформатора струму

Вибір відповідного готового трансформатора контролю струму для застосування починається з визначення:

• Максимального струму, який потрібно виміряти.
• Частота сигналу струму, яку потрібно виміряти.
• Робочий цикл вимірюваної форми струму, яку потрібно виміряти.
• Бажаної вихідної напруги на R_T резисторі.

Інструмент Coilcraft Current Transformer Finder значно спрощує процес вибору. Цей онлайн-ресурс допомагає швидко знайти найкращий трансформатор струму для вашого застосування та включає розрахунки щільності потоку, щоб забезпечити правильний розмір вибраного трансформатора і уникнути насичення осердя.

Висновок

Вибір найкращого готового трансформатора контролю струму для моніторингу струму в джерелі живлення має свої виклики. Ці виклики можна подолати, розуміючи компроміси у розмірі компонентів, ефективності та точності. Вибір значно спрощується за допомогою онлайн-інструментів вибору, таких як Coilcraft Current Transformer Finder.

Джерело: coilcraft.com

Продукція Coilcraft в каталозі Компанії СЕА

Компанія СЕА з 1990 року займається гуртовою торгівлею на ринку України електронними компонентами для промислових підприємств. У програму постачання входять як пасивні компоненти (резистори, конденсатори, індуктивності, варистори, кварцові резонатори, розрядники, роз'єми, запобіжники, комутаційні вироби та ін.), так і активні компоненти (мікросхеми, транзистори, діоди, діодні мости, світлодіоди, рідкокристалічні індикатори, оптоприлади, запобіжники, датчики та ін.).

Для того, щоб купити електронні компоненти або отримати кваліфіковану консультацію, зверніться в офіс Компанії СЕА за телефоном: +38(044)330-00-88 або по e-mail: info@sea.com.ua.