A követelmények akkor teljesíthetőek, ha a legmodernebb anyagok felhasználásával biztosítjuk a korszerű szigetelést és az elvárásoknak megfelelő biztonsági, mágneses/elektromos/elektromágneses zavarokkal szembeni immunitási jellemzőket. Akárcsak az elektromágneses kompatibilitás és emisszió esetében, itt is fontos szempont a jellemzők széles hőmérsékleti tartományban értelmezése.
Ha mindezen elvárásoknak teljesítmény-félvezetőkkel kívánunk megfelelni, akkor fontos odafigyelnünk az alacsony termikus driftre, rövid reakcióidőre, alacsony közös módusú befolyásoló hatásokra, nagy sávszélességre és alacsony alkatrészzajra. A követelményeket teljesítő jelátalakítók egyik vezető gyártója a LEM, melynek legújabb termékei túlszárnyalják azokat az elvárásokat, amelyeket korábban a Hall-effektus-alapú megoldások abszolút korlátainak gondoltak.
A következő lépés
A klasszikus Hall-effektus-alapú technológiát évtizedek óta alkalmazzák különböző területeken az iparban. A pontosság tipikusan 1-2%-os értéke ugyan jónak mondható, ám az elvárások szerinti szélességű működési hőmérséklet-tartományban tapasztalható driftelődés jelentősen csorbítja az összképet. Ennek áthidalására az egyik lehetséges megoldás a Hall-effektus elvén működő chip kiváltása fluxuszsilipes detektorral, amely jelentősen kedvezőbb hőmérsékleti stabilitást kínál. A fluxuszsilip alapvetően csak kicsivel több, mint egy rézhuzalos tekercselés, a teljesítményének hangolása azonban költséges lehet.
A LEM mérnökei ennek okán azt a feladatot kapták, hogy próbálják meg a Hall-effektus-alapú technológiát addig fejleszteni, hogy elérje a fluxuszsilipes megoldás teljesítményszintjét. A fejlesztés eredménye egy zárthurkú üzemmódú, Hall-effektus-alapú ASIC lett, amely ráadásul zaj, primeráramos indíthatóság és túlterhelés után késlekedés nélküli újraindulás tekintetében is túlszárnyalja a fluxuszsilipet. Az ASIC a LEM legújabb jelátalakítóinak központi eleme, és egyben legfontosabb felelőse a kiváló teljesítménynek – különös tekintettel a driftjellemzőkre. A fejlődés mögött szabadalmaztatott megoldások állnak.
1. ábra. Az új LEM LF xx10 áramjel-átalakítókAz LF xx10-termékcsalád egy további fontos jellemzője az érzéketlenség a külső AC és DC mezőkre, amely kompaktabb rendszerek tervezését támogatja azáltal, hogy jobb immunitást biztosít a más alkatrészek által generált mezőkkel szemben. A rendszer dinamikatartománya szintén bővült egy igen vonzóan alacsony di/dt (áramérték-változási sebesség) kíséretében. Ennek oka nem más, mint az, hogy a transzformátor olyan szekunder áramot generál, amely a részleges légréses mágneses mag miatt nagyobb a specifikált mérési tartománynál.
Ez a tartomány különösen fontos szempont lehet az ipari és vasúti szállítmányozási szektorban dolgozó K+F-mérnökök számára. Hozzájárulhatnak az inverterek kimeneti áramának mérhetőségéhez, különösen statikus konverterek esetében. Mindezeken felül támogatják a nagy igénybevétel melletti használatot, és kompatibilisek a korábbi LEM LF xx05-sorozatú jelátalakítókkal, így régebbi rendszerekbe is probléma nélkül telepíthetőek.
A működés alapelve
Az egyenáram pontos mérésénél a technológia a mérendő IP-áram által generált ΘP áramkapcsolódást úgy kompenzálja, hogy előállít az ismert NS tekercselési menetszámon keresztülfolyó IS áram által generált, ellenirányú ΘS áramkapcsolódást (lásd 2. ábra) az alábbiak szerint:
ΘP — ΘS = 0 vagy NP∙IP — NS∙IS = 0,
ahol NP a primer, NS pedig a szekunder tekercselés menetszáma.
2. ábra. A zárthurkú áramjel-átalakító működési elveA pontos méréshez szükség van a Θ = 0 feltétel nagy pontosságú megállapíthatóságára. A cél az, hogy a következő jellemzőkkel rendelkező áramjel-átalakítót kapjunk:
- kiváló linearitás,
- kiváló, hosszú távú stabilitás,
- csekély maradványzaj,
- csekély termikus driftelés,
- kiváló frekvenciaválasz,
- kiváló megbízhatóság.
A két ellenirányú áramkapcsolódás (ΘP és ΘS) pontos kompenzációjához muszáj a Θ = 0 feltétel pontos mérésére alkalmas detektort használni, ami azt jelenti, hogy a detektornak rendkívül érzékenynek kell lennie a Θ által generált Ψ mágneses fluxusmaradvány kis értékeinek érzékelésére és ezzel a lehető legnagyobb kimeneti detektorjel elérésére.
Az ismertetett működési elv és a LEM által fejlesztett és szabadalmaztatott Hall-effektus-alapú ASIC kombinációjából előállt LF xx10 áramjel-átalakítók lefedik a 200 ... 2000 A névleges áramtartományt (4000 A csúcsárammal). A működéshez mindössze standard ±11,4 ... ±25,2 V egyenfeszültségre van szükségük. Az új áramjel-átalakítók a korábbi modellek minden előnyös tulajdonságát megtartották, amelyeket a jelentősen jobb pontossági, erőtér-immunitási, dinamikatartományi, közös módusú és EMC-jellemzőkkel egészítenek ki.
Jellemzők
Az általános pontosság szobahőmérsékleten az IPN ±0,3%-án belüli, de a teljes, -40 ... 85 °C hőmérséklet-tartományt tekintve sem nyúlik túl ±0,6%-on (lásd 3. ábrák).
3. a) ábra. Az LF 1010 modell jellemző általános pontossága a –40 ... 85 °C működési hőmérséklet-tartományban
Az LF 1010-családnál az érzékenységi hiba +25 °C hőmérsékleten ±0,1%, a linearitás pedig szintén mindössze ±0,1%. A kiterjesztett dinamikatartomány a korábbi LF xx5-sorozathoz képest nagyobb csúcsáramot tesz elérhetővé, amelynek értelmében az LF 1010 jelátalakító 5000-es menetszámáttételnél akár 2500 A csúcsáram mérésére képes, szemben az LF 1005 elődmodell 1800 A paraméterével.
Köszönhetően a mágneses mag részleges légrésének (lásd 4. ábra), az LF 510, 1010 és 2010 érzékenysége a külső AC és DC mezőkre igen alacsony. Ez kompaktabb méretek elérését teszi lehetővé, mivel lényegében biztosított az immunitás a jelátalakítók közelében futó nagy áramú vezetőkre.
4. ábra. A mágneses mag részleges légréseA külső mezők úgy szimulálhatók a leghatékonyabban, hogy a jelátalakítóhoz közel elhelyezünk egy névleges árammal terhelt gyűjtősínt, melynek mezője által generált járulékos hiba ekkor mérhetővé válik (lásd 5. ábrák). E módszerrel a visszatérő gyűjtősín, valamint annak hatása a jelátalakító pontosságára szintén szimulálható.
5. a) ábra. Az LF 1010-hez közel futó gyűjtősín által generált hiba a légréssel szemben (850 ARMS, 50 Hz)
5. b) ábra. Az LF 1010-hez közel futó gyűjtősín által generált hiba a légréssel szemben (1000 ADC)Például az LF 1010-S modell érzékenysége AC és DC mezőkre a legkedvezőtlenebb esetben is ötször jobb, mint az előző generációs LF 1005-S esetében. Az LF 1010-S tipikus hibája az IPN áram 2%-a, szemben az elődmodell LF 1005-S típus 10%-ával. (Ezek az eredmények természetesen azonos feltételek mellett és AC/DC mezőzavarás esetén értendők.)
A válaszidő tekintetében (lásd 6. ábra) az LF xx10-sorozatú jelátalakítók tipikus késleltetése (amelyet IPN áram 90%-ánál definiálnak) rövidebb, mint 0,5 µs. A részleges légréses mágneses mag javítja a mágneses csatolást és ezzel a választ az áramérték-változás sebességével szemben.
6. ábra. Az LF 1010 válaszideje IPN áram 90%-ánálA sávszélességet csak a szekunder oldali tekercselés rezonanciafrekvenciája korlátozza 100 kHz körüli értékre. Ezért a rezonanciáért a menetek és tekercselési rétegek között fellépő szivárgási induktivitás és parazitakapacitás felelős.
A jel/zaj viszony a kívánt jel és a háttérzaj közötti kapcsolatot fejezi ki, meghatározás alapján a jelteljesítmény és zajteljesítményt hányadosa, amelyet gyakran decibelben adnak meg. Ha a mérést digitalizálják, a mérés reprezentálására használt bitek száma meghatározza az elérhető legnagyobb jel/zaj viszonyt is. Az igen kedvező jel/zaj viszonynak hála, az LF xx10 modellek felbontása jobb, mint 14 bit (lásd 7. ábra).
7. ábra. Az LF 1010-S jelátalakító zajszintjeA szekunder oldal tekintetében többféle csatlakozási lehetőség áll rendelkezésre, így csatlakozók, kábelek, végpontok, menetes csonkok stb. (az ügyfél igényeinek leginkább megfelelően), az LF 2010 modelleket pedig szerelőkészletet is tartalmaznak a primer sín esetében.
Mivel a félvezetős áramirány-váltások gyorsabbak, a jelátalakító (nagypotenciálú) primer és (kispotenciálú) szekunder oldala között nagyobb dv/dt feszültségváltozási sebesség figyelhető meg. Biztonsági megfontolásokból kifolyólag a szekunder oldal gyakran földelésre kerül, a primer oldal differenciálfeszültség alatt lehet, azonban lebeghet is. A potenciál a primer oldalon változhat, zavaróhatást kiváltva a jelátalakító szekunder (kimeneti) oldalán. Szűrés ebben az esetben nem alkalmazható, mivel rontaná a válaszidőt és frekvenciateljesítményt, ezért fejlesztés közben a lehető legnagyobb körültekintés mellett redukálni kell a jelátalakító primer és szekunder oldalai közötti parazitakapacitást. A primer vezető és a szekunder oldal között az alacsony parazitakapacitással a dinamikus közös módus hatása csökkenthető. Ha ez sem elég, a közös módusú zavaróhatás semlegesítésére a rendszer elektrosztatikus védelemmel látható el.
Az LF xx10-sorozatú modelleket az akkor rendelkezésre álló, legfrissebb kiadású, globális ipari és vontatási szabványok szerint tervezték és tesztelték. Ez alól nem kivétel az ipari rendszerek teljesítményellátóiban használt elektronikai eszközökre vonatkozó EN 50178, valamint a vasúti alkalmazások gördülőállományainál használt elektronikai eszközökre irányuló EN 50155 sem.
E szabványoknak való megfelelés garantálja a jelátalakítók ipari és vasúti alkalmazásokban való megfelelőségét.
Az LF xx10 jelátalakítók rendelkeznek UL- és CE-tanúsítványokkal is, biztosítva az Európai Unió 2004/108/EEC EMC-direktívájának és 2006/95/EEC kisfeszültségű direktívájának való megfelelőséget. Kompatibilisek továbbá a helyileg származtatott EMC-szabályozások követelményeivel és a legfrissebb verziójú EN 50121-3-2 standarddel (vasúti EMC-szabvány) is. Az ebben alkalmazott EMC-s követelmények a tipikus ipari szabványokhoz képest jelentősen szigorúbbak.
Összefoglalás
Napjaink ipari rendszerei a termelékenység és energiahatékonyság javítására hivatott automatizálási követelmények miatt egyre több szenzort tartalmaznak. Függetlenül attól, hogy valójában milyen szenzorokról van szó, az áramjel-átalakítók képesek kapcsolatot teremteni a különböző monitorozó- és vezérlőrendszerek között. E rendszerek esetében a hatásfok a legfontosabb paraméterek egyike, amely miatt egyértelműen élvezhetik az új LEM LF xx10 jelátalakító-sorozat kedvező jellemzőit.
Az LF xx10 jelátalakítók ideális választást jelentenek nehéz üzemeltetési körülmények esetére is, ahol nemcsak a jó teljesítmény, de a pontosság, linearitás, kedvező ofszet- és driftjellemzők szintén elvártak. A külső interferenciákkal szemben kiváló immunitást szolgáltató LF xx10 jelátalakítók kimagasló megbízhatóságot és hosszú távú stabilitást nyújtanak.
