전류 감지

Current sensing
다르손발/웨스턴형 검류계 다이어그램.전류가 코일의 +단자에서 -단자로 흐르면서 코일에 자기장이 발생한다.이 필드는 영구 자석에 의해 상쇄되며 전류 흐름으로 인해 발생하는 필드 강도에 비례하여 코일을 비틀어 포인터를 움직입니다.

전기 공학에서 전류 감지는 전류를 측정하는 데 사용되는 여러 기술 중 하나입니다.전류 측정 범위는 피코암페어부터 수만암페어까지입니다.전류 감지 방법의 선택은 크기, 정확도, 대역폭, 견고성, 비용, 격리 또는 크기와 같은 요건에 따라 달라집니다.현재 값은 계측기에서 직접 표시하거나 모니터링 또는 제어 시스템에서 사용할 수 있도록 디지털 형식으로 변환할 수 있습니다.

전류 감지 기술에는 션트 저항기, 변류기 및 Rogowski 코일, 자기장 기반 변환기 등이 포함됩니다.

전류 센서

전류 센서는 와이어의 전류를 감지하여 그에 비례하는 신호를 생성하는 장치입니다.생성되는 신호는 아날로그 전압 또는 전류 또는 디지털 출력일 수 있습니다.생성된 신호는 전류계로 측정된 전류를 표시하거나 데이터 수집 시스템에 추가 분석을 위해 저장하거나 제어 목적으로 사용할 수 있습니다.

감지된 전류 및 출력 신호는 다음과 같습니다.

  • 교류 입력,
    • 아날로그 출력: 감지된 전류의 파형 형상을 복제합니다.
    • 바이폴라 출력 - 감지된 전류의 파형 형상을 복제합니다.
    • 단극 출력. 이는 감지된 전류의 평균 또는 RMS 값에 비례합니다.
  • 직류 입력,
    • 감지된 전류의 파형 모양을 복제하는 단극 출력을 가진 단극
    • 디지털 출력: 감지된 전류가 특정 임계값을 초과할 때 전환됩니다.

전류 측정 요구 사항

현재의 감지 기술은 다양한 응용 분야에 대한 다양한 요구 사항을 충족해야 합니다.일반적으로, 일반적인 요건은 다음과 같습니다.

  • 고감도
  • 높은 정확도와 선형성
  • 와이드 대역폭
  • DC 및 AC 측정
  • 저온 드리프트
  • 간섭 거부
  • IC 패키징
  • 저소비 전력
  • 저렴한 가격

기술

전류 측정은 다음과 같은 기본적인 물리적 원리에 따라 분류할 수 있다.

홀 효과 전류 센서는 1879년 에드윈 홀이 발견한 홀 효과 현상을 기반으로 하는 전류 센서의 한 종류입니다.홀 효과 전류 센서는 AC, DC 또는 맥동 전류를 측정할 수 있습니다.

션트 저항기

옴의 법칙은 저항을 통과하는 전류에 비례한다는 관측입니다.

이 관계를 사용하여 전류를 감지할 수 있습니다.이 단순한 관계를 기반으로 한 센서는 이 단순한 원리로 인해 낮은 비용과 신뢰성으로 잘 알려져 있습니다.

션트 저항기

전류 감지에 대한 일반적이고 간단한 접근 방식은 션트 저항을 사용하는 것입니다.션트의 전압 강하는 션트의 전류 흐름에 비례합니다.교류(AC)와 직류(DC)는 모두 션트 저항을 사용하여 측정할 수 있습니다.고성능 동축 션트는 많은 애플리케이션에서 빠른 상승 시간 과도 전류 및 고진폭에 널리 사용되어 왔지만, 크기가 작고 상대적으로 가격이 저렴하기 때문에 고도로 통합된 전자 장치는 저비용 표면 실장 장치(SMD)[1]를 선호합니다.션트에 존재하는 기생 인덕턴스는 고정밀 전류 측정에 영향을 미칩니다.이는 비교적 높은 주파수에서 임피던스의 크기에만 영향을 미치지만 라인 주파수에서의 위상에도 영향을 미치기 때문에 낮은 역률에서 현저한 오류가 발생합니다.저비용과 높은 신뢰성으로 인해 저저항 전류 분로는 전류 측정 시스템에서 매우 인기 있는 선택입니다.션트를 사용할 때의 주요 단점은 기본적으로 션트가 저항 소자이기 때문에 전력 손실이 션트를 통과하는 전류의 제곱에 비례하고 결과적으로 고전류 측정에서는 드물다는 것입니다.션트 저항기의 일반적인 요구사항은 고펄스 또는 고서지 전류를 측정하기 위한 빠른 응답입니다.1981년 Malewski는 [2]피부 효과를 제거하기 위한 회로를 설계했으며 이후 1999년 플랫스트랩 샌드위치 저항기에서 플랫스트랩 샌드위치 션트(FSSS)[3]를 도입했습니다.응답시간, 전력손실, 주파수 특성 면에서 금감원의 특성은 션트 저항기와 동일하지만 Malewski 및 동축 션트에 비해 비용이 저렴하고 시공기법이 덜 정교하다.

트레이스 저항 감지

일반적으로 인쇄 회로 기판([4]PCB)의 구리 트레이스인 전도 소자의 고유 저항은 션트 저항 대신 감지 소자의 고유 저항입니다.추가 저항이 필요하지 않으므로 이 접근법은 추가 전력 손실 없이 저비용 및 공간 절약 구성을 보장합니다.당연히 구리선의 전압 강하는 저항이 매우 낮기 때문에 유용한 신호를 얻기 위해 고이득 증폭기의 존재가 필수적입니다.전류 측정 프로세스를 변경할 수 있는 몇 가지 물리적 효과가 있습니다. 구리 트레이스의 열 드리프트, 트레이스 저항의 초기 조건 등입니다.따라서 이 방법은 열 드리프트가 크기 때문에 적절한 정밀도를 필요로 하는 어플리케이션에는 적합하지 않습니다.온도 드리프트와 관련된 문제를 극복하기 위해 디지털 컨트롤러는 구리 트레이스의 열 드리프트 [5]보상 및 교정에 사용할 수 있다.이러한 종류의 전류 센서의 중요한 단점은 측정할 전류와 감지 회로 사이의 피할 수 없는 전기적 연결입니다.이른바 아이솔레이션 앰프를 사용함으로써 전기적 아이솔레이션을 추가할 수 있다.그러나 이러한 증폭기는 비용이 많이 들고 원래 전류 감지 기술의 대역폭, 정확도 및 열 드리프트도 악화시킬 수 있습니다.이러한 이유로 본질적인 전기적 분리를 제공하는 물리적 원리에 기초한 현재의 감지 기법은 분리가 필요한 애플리케이션에서 더 낮은 비용으로 더 나은 성능을 제공합니다.

패러데이의 법칙에 기초한 전류 센서

패러데이의 유도 법칙(폐회로에서 유도되는 총 기전력은 회로를 연결하는 총 자속의 시간 변화율에 비례한다는 것)은 전류 감지 기술에 주로 사용되어 왔습니다.패러데이의 법칙에 기초한 두 가지 주요 감지 장치는 전류 변압기(CT)와 Rogowski 코일입니다.이러한 센서는 측정할 전류와 출력 신호 사이에 전기적 절연 기능을 제공하므로 안전 표준에서 전기적 분리가 필요한 경우 이러한 전류 감지 장치가 필수적입니다.

변류기

주요 기사:변류기
3상 400A 전원용 계량기기의 일부로 사용되는 변류기

CT는 변압기의 원리를 기반으로 하며 높은 1차 전류를 더 작은 2차 전류로 변환하며 높은 AC 전류 측정 시스템에서 공통적으로 사용됩니다.이 장치는 패시브 장치이기 때문에 구현 시 별도의 구동 회로가 필요하지 않습니다.또 다른 큰 장점은 전력을 거의 소비하지 않으면서 매우 높은 전류를 측정할 수 있다는 것입니다.CT의 단점은 매우 높은 1차 전류 또는 전류 중의 상당한 DC 성분이 코어에서 사용되는 페라이트 재료를 포화시켜 최종적으로 신호를 손상시킬 수 있다는 것입니다.또 다른 문제는 코어가 자화되면 코어에 히스테리시스가 포함되어 다시 소자되지 않으면 정확도가 저하된다는 것입니다.

로고스키 코일

다음 항목도 참조하십시오.로고스키 코일
로고프스키 코일

Rogowski 코일은 패러데이의 유도법칙에 기초하고 있으며 Rogowski 코일의 출력전압out V는 측정하는 전류c I를 적산하여 구한다.그것은 에 의해 주어졌다.

여기서 A는 코일의 단면적이고 N은 회전수입니다.Rogowski 코일은 전류 변압기가 활용할 수 있는 높은 투과성 자기 코어가 없기 때문에 감도가 낮습니다.단, 이는 Rogowski 코일에 더 많은 회전을 추가하거나 게인 k가 높은 적분자를 사용함으로써 보상할 수 있다.회전수가 많을수록 자기용량 및 자기유도가 증가하며, 적분기 게인이 높을수록 이득대역폭 제품이 큰 앰프를 의미합니다.엔지니어링 분야에서도 항상 그렇듯이, 특정 용도에 따라 트레이드오프가 이루어져야 합니다.

자기장 센서

홀 효과

주요 기사:홀 효과 센서

홀 효과 센서는 1879년 에드윈 홀이 로렌츠 힘의 물리적 원리를 바탕으로 발견한 홀 효과에 기반한 장치이다.외부 자기장에 의해 활성화 됩니다.이 일반화된 장치에서는 홀 센서가 자기 시스템이 생성하는 자기장을 감지합니다.이 시스템은 입력 인터페이스를 통해 감지되는 양(전류, 온도, 위치, 속도 등)에 응답합니다.홀 소자는 기본 자기장 센서입니다.대부분의 애플리케이션에서 출력을 사용할 수 있도록 하려면 신호 조절이 필요합니다.필요한 신호 조절 전자 장치는 증폭기 단계와 온도 보상입니다.조절되지 않은 전원에서 작동할 때는 전압 조절이 필요합니다.자기장이 없을 때 홀 전압이 측정되면 출력이 0이어야 합니다.그러나 각 출력 단자의 전압이 접지에 대해 측정되면 0이 아닌 전압이 나타납니다.이는 Common Mode Voltage(CMV; 공통 모드 전압)이며 각 출력 단자에서 동일합니다.그런 다음 출력 인터페이스는 홀 센서의 전기 신호를 변환합니다. 홀 전압은 애플리케이션 컨텍스트에 중요한 신호입니다.홀 전압은 1개의 가우스 자기장이 존재하는 경우 약 30μV의 로우 레벨 신호입니다.이 로우 레벨 출력을 위해서는 노이즈가 낮고 입력 임피던스가 높으며 게인이 중간인 앰프가 필요합니다.이러한 특성을 가진 차동 증폭기는 표준 바이폴라 트랜지스터 기술을 사용하여 홀 소자와 쉽게 통합될 수 있습니다.온도 보상도 쉽게 통합됩니다.

플럭스게이트 센서

플럭스게이트 테크놀로지 원리

플럭스게이트 센서 또는 포화 인덕터 전류 센서는 홀 효과 기반 전류 센서와 동일한 측정 원리로 작동합니다. 즉, 측정할 1차 전류에 의해 생성된 자기장이 특정 감지 소자에 의해 감지됩니다.포화 인덕터 전류 센서의 설계는 폐쇄 루프 홀 효과 전류 센서의 설계와 유사합니다. 유일한 차이점은 이 방법이 공극에서 홀 효과 센서 대신 포화 인덕터를 사용한다는 것입니다.

포화 인덕터 전류 센서는 인덕턴스 변화 검출을 기반으로 합니다.가포화 인덕터는 작고 얇은 자기 코어 권선으로 만들어지며 주위에 코일이 감겨 있습니다.포화 인덕터는 포화 영역으로 작동합니다.외부 및 내부 플럭스 밀도가 포화 수준에 영향을 미치도록 설계되어 있습니다.포화 인덕터의 포화도 변화는 코어의 투과성을 변화시키고 결과적으로 인덕턴스 L을 변화시킨다.포화 인덕턴스(L) 값은 낮은 전류(코어의 투과성 기준)에서 높고 높은 전류(포화 시 코어 투과성이 통일됨)에서 낮다.플럭스게이트 검출기는 자기장 강도 H와 플럭스 밀도 [6]B 사이에 비선형 관계를 나타내기 위해 많은 자성 물질의 특성에 의존한다.

이 기술에서는 공극이 없는 2개의 코어를 사용함으로써 고주파 성능을 얻을 수 있습니다.2개의 메인 코어 중 하나는 포화 인덕터를 생성하기 위해 사용되고 다른 하나는 고주파 트랜스 효과를 생성하기 위해 사용된다.또 다른 방법에서는 3개의 코어를 공극 없이 사용할 수 있습니다.3개의 코어 중 2개를 사용하여 포화 인덕터를 생성하고, 3개의 코어를 사용하여 고주파 변압기 효과를 생성한다.포화 인덕터 센서의 장점은 고해상도, 고정밀, 낮은 오프셋 및 게인 드리프트, 큰 대역폭(최대 500kHz)입니다.포화 인덕터 테크놀로지의 단점으로는 단순한 설계를 위한 대역폭 제한, 비교적 높은 2차 전력 소비, 1차 도체에 전류 또는 전압 노이즈가 주입될 위험이 있습니다.

자기 저항 전류 센서

참고 항목: 자기 저항, 거대 자기 저항 및 터널 자기 저항

자기저항기(MR)는 인가된 자기장에 따라 저항을 파라볼라하게 변화시키는 2단자 장치이다.자기장으로 인한 MR 저항의 이러한 변화를 자기 저항 효과라고 합니다.인가된 자기장의 함수로 인해 전기 저항이 변화하는 구조를 구축할 수 있습니다.이 구조들은 자기 센서로 사용될 수 있다.일반적으로 이러한 저항은 열 [7]드리프트를 보상하기 위해 브리지 구성으로 조립됩니다.일반적인 자기 저항 기반 센서는 이방성 자기 저항(AMR), 거대 자기 저항(GMR), 거대 자기 임피던스(GMI) 및 터널 자기 저항(TMR)입니다.이 모든 MR 기반 센서는 홀 효과 센서에 비해 감도가 높다.그러나 이들 센서(GMR, CMR 및 TMR)는 홀 이펙트 디바이스보다 가격이 비싸며 비선형 거동에 관한 중대한 결점이 있으며 열 드리프트가 뚜렷하며 매우 강한 외부 필드가 센서 거동(GMR)을 영구적으로 변경할 수 있습니다.GMI 및 TMR 센서는 GMR 기반 센서보다 더 민감하며 현재는 부피도 높아졌습니다.e생산(TDK, Crocus, Sensitec, MDT)

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Costa, F.; Poulichet, P.; Mazaleyrat, F.; Labouré, E. (1 February 2001). "The Current Sensors in Power Electronics, a Review". EPE Journal. 11 (1): 7–18. doi:10.1080/09398368.2001.11463473. ISSN 0939-8368.
  2. ^ Malewski, R.; Nguyen, C. T.; Feser, K.; Hylten-Cavallius, N. (1 March 1981). "Elimination of the Skin Effect Error in Heavy-Current Shunts". IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. PAS-100 (3): 1333–1340. Bibcode:1981ITPAS.100.1333M. doi:10.1109/tpas.1981.316606. ISSN 0018-9510.
  3. ^ Castelli, F. (1 October 1999). "The flat strap sandwich shunt". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 48 (5): 894–898. doi:10.1109/19.799642. ISSN 0018-9456.
  4. ^ Spaziani, Larry (1997). "Using Copper PCB Etch for Low Value Resistance". Texas Instruments. DN-71.
  5. ^ Ziegler, S.; Iu, H. H. C.; Woodward, R. C.; Borle, L. J. (1 June 2008). "Theoretical and practical analysis of a current sensing principle that exploits the resistance of the copper trace". 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference: 4790–4796.
  6. ^ LEM International SA (June 2011). "High Precision Current Transducers Catalogue" (version 1). {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  7. ^ Ziegler, S.; Woodward, R. C.; Iu, H. H. C.; Borle, L. J. (1 April 2009). "Current Sensing Techniques: A Review". IEEE Sensors Journal. 9 (4): 354–376. Bibcode:2009ISenJ...9..354Z. doi:10.1109/jsen.2009.2013914. ISSN 1530-437X.
  8. ^ https://crocus-technology.com/wp-content/uploads/2021/08/AN117-From-Hall-Effect-to-TMR-Rev0.2.pdf[베어 URL PDF]