Caratteristiche del trasduttore di corrente ad anello chiuso

Un trasduttore di corrente opportunamente selezionato per un'applicazione può facilmente garantire oltre 25 anni di servizio. Riconoscendo i dettagli dietro la scheda tecnica, sono possibili applicazioni con prestazioni migliori e progetti più robusti.

Erik Lange, Ingegnere marketing e applicazioni | LEM USA, Inc

La misurazione della corrente è parte integrante dell'elettronica di potenza. I trasduttori attuali forniscono questa misura con diverse tecnologie disponibili. La tecnologia più comunemente utilizzata è l'effetto Hall a circuito chiuso o Gate di flusso a circuito chiuso. La tecnologia Closed Loop offre molti vantaggi specifici richiesti dai progettisti di elettronica di potenza. Tuttavia, ci sono alcuni dettagli non spesso noti che possono rendere una richiesta eccezionale o comportarne il fallimento. Di seguito sono elencate alcune delle caratteristiche che dovrebbero essere considerate.

I trasduttori di corrente sono dispositivi passivi nel senso che non influenzano attivamente la corrente misurata, ma richiedono energia per funzionare. I requisiti di alimentazione tipici sono nell'intervallo inferiore a 30 mA, indipendentemente dalla tensione di alimentazione. La maggior parte dei trasduttori richiede un'alimentazione bipolare (+/-15 V in genere). I trasduttori di alimentazione unipolari stanno diventando sempre più disponibili. I dispositivi ad anello chiuso hanno requisiti di assorbimento di corrente aggiuntivi per le loro correnti secondarie.

I trasduttori di corrente (da non confondere con i trasformatori di corrente) possono misurare correnti CC e CA. La misurazione CC richiede trasduttori di corrente. Questa è una delle due caratteristiche che distinguono i trasduttori dalle altre forme di misurazione della corrente. Una corrente alternata pura potrebbe essere misurata da un comune trasformatore di corrente. Ma se la corrente misurata presenta periodi di tempo senza di/dt, è necessario un trasduttore di corrente.

L'isolamento galvanico è la seconda caratteristica che guida la scelta del trasduttore di corrente come soluzione per un'applicazione di misurazione della corrente. Il circuito primario e il circuito secondario del trasduttore di corrente sono elettricamente isolati l'uno dall'altro. Ciò consente un potenziale primario elevato (480 V) mentre il secondario ha una tensione di controllo inferiore (+/-15 V o +5 V). L'isolamento galvanico si ottiene attraverso il magnetismo. La corrente primaria genera un campo magnetico che viene concentrato da un circuito magnetico. Un dispositivo di misurazione magnetico misura il campo B e fornisce l'intensità in qualche forma (tensione o corrente di soglia). Le informazioni sull'intensità vengono convertite in un'uscita di tensione o corrente proporzionale alla corrente primaria.

Il trasduttore di corrente originale sviluppato è l'effetto Hall a circuito aperto. Questo trasduttore è composto da tre parti: un circuito magnetico, una cella Hall e un amplificatore. L'uscita è una tensione proporzionale alla corrente primaria.

Il prossimo progresso nella tecnologia dei trasduttori è l'effetto Hall a circuito chiuso. Il Closed Loop riprende il concetto di Open Loop e aggiunge un avvolgimento secondario all'uscita. Questo avvolgimento secondario è avvolto attorno al circuito magnetico in modo tale che la corrente secondaria crei un campo magnetico in opposizione a quello creato dalla corrente primaria. Questo crea un nucleo relativamente privo di flusso. I vantaggi del Closed Loop sono la virtuale assenza di correnti parassite e una maggiore larghezza di banda. L'uscita può essere modellata come una sorgente di corrente con una corrente proporzionale alla corrente primaria in un rapporto determinato dal conteggio degli avvolgimenti secondari. Il fatto che il guadagno sia determinato dal numero degli avvolgimenti secondari lo rende praticamente immune alle variazioni di guadagno dovute alla temperatura. La scheda tecnica di un trasduttore ad anello chiuso non indicherà un effetto della temperatura sulle caratteristiche di guadagno. Non vi è alcun effetto sul guadagno derivante dalla temperatura in un dispositivo a circuito chiuso. L'uscita di corrente rappresenta un vantaggio in quanto è meno suscettibile alle fonti di rumore all'interno dell'applicazione. La corrente di uscita di un circuito chiuso viene generalmente pilotata attraverso un resistore di "carico". La corrente che passa attraverso il resistore crea una caduta di tensione che può essere misurata da un circuito integrato da analogico a digitale o da un circuito integrato comparatore.

Fig 1. Circuito chiuso

Il Flux Gate ad anello chiuso sostituisce la cella Hall con un rilevatore di Flux Gate. Il Flux Gate è un pezzo di materiale magnetico inserito in uno spazio vuoto nel circuito magnetico. Il nucleo del Flux Gate ha attorno a sé un avvolgimento che viene stimolato da una tensione ad onda quadra. Si misura la corrente indotta e quando raggiunge una certa soglia il ciclo dell'onda quadra cambia. Il ciclo di lavoro dell'onda quadra è proporzionale alla corrente primaria. La tecnologia Flux Gate è di natura digitale e dispone di un orologio interno che può apparire come rumore alla frequenza dell'orologio. Tuttavia il rumore è ben al di sopra della larghezza di banda del trasduttore. Quindi il sistema completo è composto da: circuito magnetico, Flux Gate e avvolgimento, un ASIC e un avvolgimento secondario. Il resistore di carico può essere interno al dispositivo che fornirà quindi un'uscita di tensione. Altrimenti verrebbe generata un'uscita di corrente. Esistono altre tecnologie Flux Gate che utilizzano schemi di eccitazione e rilevamento diversi, ma i risultati complessivi sono simili.