การออกแบบวงจรแอมแปร์มิเตอร์: ตัวต้านทานแบบแบ่ง, CT และคู่มือการเลือก

เมื่อคุณต้องการวัดกระแสที่ไหลผ่านรางไฟฟ้า สายคายประจุแบตเตอรี่ หรืออินพุตมิเตอร์อัจฉริยะ ความแม่นยำของการอ่านจะขึ้นอยู่กับ วงจรแอมแปร์มิเตอร์ คุณสร้างขึ้น ไม่ใช่แค่บนจอแสดงผลดิจิทัลเท่านั้น แอมแปร์มิเตอร์ไม่ใช่เซนเซอร์แบบสแตนด์อโลน เป็นวงจรความต้านทานต่ำที่ออกแบบมาอย่างระมัดระวังซึ่งจะต้องผ่านกระแสโหลดเต็มในขณะที่สร้างสัญญาณที่ ADC หรือการเคลื่อนที่ของมิเตอร์สามารถอ่านได้ ข้อสรุปนั้นง่ายมาก: ปรับสับเปลี่ยนและหม้อแปลงกระแสให้ถูกต้อง และการวัดกระแสของคุณจะกลายเป็นส่วนที่น่าเชื่อถือของระบบ

วงจรแอมป์มิเตอร์ควรทำอย่างไร?

งานหลักของวงจรแอมมิเตอร์คือการปล่อยให้กระแสโหลดจริงไหลผ่านวงจรนั้นโดยให้แรงดันตกคร่อมน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ต้องต่อมิเตอร์เข้า ซีรีส์ กับโหลด ดังนั้นกระแสเดียวกันจะผ่านองค์ประกอบการตรวจจับ หากแอมมิเตอร์เพิ่มความต้านทานอย่างมาก กระแสไฟฟ้าที่คุณพยายามวัดจะเปลี่ยนไป การออกแบบที่ดีเริ่มต้นด้วยเป้าหมายที่ชัดเจน นั่นคือ รักษาแรงดันไฟฟ้าภาระให้ต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปจะต่ำกว่าสองสามสิบมิลลิโวลต์ที่กระแสสูงสุด

ตัวอย่างทั่วไปคือช่วง 10 A บนมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล วงจรแอมมิเตอร์ภายในมักใช้ตัวต้านทานสับเปลี่ยน 0.01 โอห์ม ที่ 10 A แรงดันไฟฟ้าตกเพียง 100 mV ซึ่งเป็นที่ยอมรับสำหรับการวัดแบบตั้งโต๊ะส่วนใหญ่ สำหรับกระแสต่ำ ความต้านทานสับเปลี่ยนอาจสูงขึ้น เช่น 1 โอห์มสำหรับช่วง 100 mA ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงข้อดีข้อเสียพื้นฐาน: แนวต้านที่สูงกว่าจะให้สัญญาณที่มากกว่าแต่การสูญเสียการแทรกที่มากกว่า สำหรับผลิตภัณฑ์ระดับการผลิต ข้อดีนี้ได้รับการจัดการโดยการเลือกองค์ประกอบการตรวจจับที่ถูกต้องตั้งแต่เริ่มต้น

ตัวต้านทานแบบแบ่งและหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าในวงจรวัดแสง

มีสองวิธีหลักในการสร้างวงจรแอมแปร์มิเตอร์ที่แม่นยำ: ตัวต้านทานแบบแบ่ง สำหรับกระแส DC หรือ AC ต่ำถึงปานกลาง และ หม้อแปลงกระแส (CTs) สำหรับกระแสไฟ AC ที่ต้องการการแยกกัลวานิกหรือปัจจัยสเกลที่สูงกว่า

ตัวต้านทานแบบสับเปลี่ยน

shunt ตั้งอยู่โดยตรงในเส้นทางปัจจุบัน ความต้านทานของมันต่ำมากและแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมจะเป็นสัดส่วนกับกระแส การสับเปลี่ยนที่แม่นยำใช้ในมิเตอร์อัจฉริยะ ระบบจัดการแบตเตอรี่ และตัวควบคุมทางอุตสาหกรรม สำหรับการวัดมิเตอร์อัจฉริยะ เครื่องสับเปลี่ยน FHS024 ผลิตขึ้นโดยมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำและความต้านทานที่มั่นคง ซึ่งช่วยให้มิเตอร์รักษาความแม่นยำในช่วงการทำงานที่กว้าง FHS024 สับเปลี่ยนมิเตอร์อัจฉริยะ ได้รับการออกแบบมาเพื่อบัดกรีลงบน PCB โดยตรง ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงสำหรับเครื่องวัดพลังงานอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เนื่องจากการสับเปลี่ยนเป็นอุปกรณ์แบบสองเทอร์มินัล โครงร่าง PCB จึงต้องลดความต้านทานการติดตามระหว่างสับเปลี่ยนและอินพุต ADC ให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มออฟเซ็ตที่ไม่รู้จัก

การสับเปลี่ยนความแม่นยำสูงสำหรับการตรวจจับกระแสไฟฟ้าของมิเตอร์อัจฉริยะ เครื่องสับเปลี่ยน FHS-024 มีความต้านทานเบี่ยงเบนต่ำและเสถียรเพื่อการวัดพลังงานที่แม่นยำในมิเตอร์อัจฉริยะ พร้อมการออกแบบที่ยึด PCB เหมาะสำหรับโมดูลการวัดแสงขนาดกะทัดรัด ดูผลิตภัณฑ์ →

หม้อแปลงไฟฟ้าในปัจจุบัน

เมื่อวงจรเป็นไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสไฟฟ้าสูง หรือจำเป็นต้องแยกการวัด หม้อแปลงกระแสคือวิธีแก้ปัญหาที่แนะนำ CT พันรอบตัวนำหรือมีขดลวดปฐมภูมิ และกระแสทุติยภูมิเป็นภาพที่ย่อขนาดลงของกระแสปฐมภูมิ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น FHDCT031D 5-60 A หม้อแปลงกระแสสำหรับมิเตอร์อัจฉริยะถูกสร้างขึ้นมาสำหรับสถานการณ์นี้โดยเฉพาะ CT มิเตอร์อัจฉริยะ FHDCT031D มีโครงสร้างที่กะทัดรัดสำหรับการติดตั้ง PCB และข้อผิดพลาดเฟสต่ำ ซึ่งจำเป็นสำหรับการวัดคุณภาพไฟฟ้า นอกจากนี้ CT ยังจัดให้มีการแยกสัญญาณ ดังนั้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการวัดแสงจึงไม่แชร์กราวด์ร่วมกับตัวนำไฟฟ้ากำลังสูง

หม้อแปลงกระแส 5-60A สำหรับการใช้งานมิเตอร์อัจฉริยะ CT นี้ให้การแยกและข้อผิดพลาดเฟสต่ำสำหรับการวัดกระแส AC ในมิเตอร์อัจฉริยะ รองรับการติดตั้ง PCB และปฏิบัติตามมาตรฐาน IEC ดูผลิตภัณฑ์ →

เกณฑ์การเลือกคีย์สำหรับส่วนประกอบวงจรแอมแปร์มิเตอร์

การเลือกระหว่างสับเปลี่ยนและหม้อแปลงกระแส จากนั้นเลือกชิ้นส่วนที่แน่นอน จำเป็นต้องดูพารามิเตอร์เชิงปฏิบัติหลายประการ ตารางด้านล่างสรุปการเปรียบเทียบที่สำคัญ

ระดับความแม่นยำเป็นสิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบ CT คลาส 1 เช่น หม้อแปลงกระแส 5-60A/2.5mA ที่มีความแม่นยำสูง FHCT019 สามารถรองรับการใช้งานการวัดแสงอัจฉริยะที่ต้องการประสิทธิภาพที่เสถียรเหนืออุณหภูมิ CT ความแม่นยำ FHCT019 คือตัวอย่างของส่วนประกอบที่สร้างสมดุลระหว่างข้อผิดพลาดของเฟสต่ำและความเป็นเส้นตรงสูง ในขณะที่ยังคงรวมเข้ากับการออกแบบ PCB ได้ง่าย

หม้อแปลงกระแส 5-60A ที่แม่นยำพร้อมเอาต์พุต 2.5mA FHCT-019 ให้ความแม่นยำและความเชิงเส้นสูงในช่วงกระแสไฟที่กว้าง ออกแบบมาสำหรับการวัดและการตรวจสอบทางอุตสาหกรรมด้วยตัวเลือกการเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่น ดูผลิตภัณฑ์ →

นอกเหนือจากความแม่นยำแล้ว ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิยังมีความสำคัญเนื่องจากการทำความร้อนได้เองและการแกว่งของสภาพแวดล้อมสามารถเปลี่ยนเอาท์พุตได้ สำหรับการสับเปลี่ยน อัลลอยด์ที่มีดริฟท์ต่ำ เช่น แมงกานิน จะดีกว่า สำหรับ CT วัสดุแกนกลางและวิธีการม้วนจะกำหนดว่าอัตราส่วนจะคงที่ตลอดช่วงกระแสไฟฟ้าได้ดีเพียงใด ตรวจสอบพิกัดกระแสไฟกระชากด้วย: กระแสแยก 100 A อาจรอดจากกระแสพุ่งเข้า 500 A เป็นเวลาสองสามมิลลิวินาที แต่ CT อาจทำให้อิ่มตัวและบิดเบือนรูปคลื่นในระหว่างเหตุการณ์นั้น

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบเมื่อรวมวงจรแอมแปร์มิเตอร์

เมื่อเลือกส่วนประกอบการตรวจจับแล้ว วงจรโดยรอบจะต้องป้องกันและจัดการสัญญาณอย่างถูกต้อง รายละเอียดสามประการสมควรได้รับความสนใจ:

• ความต้านทานภาระ: สำหรับ CT ตัวต้านทานภาระคร่อมตัวทุติยภูมิจะกำหนดแรงดันเอาต์พุตและการเปลี่ยนเฟส รักษาภาระให้อยู่ในช่วงที่กำหนดเพื่อหลีกเลี่ยงความอิ่มตัว
• การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน: เพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมและอุปกรณ์จับยึดบนอินพุต ADC เพื่อจัดการกับภาวะชั่วคราวบนเส้นทางปัจจุบัน
• การสอบเทียบ: PCB ทุกตัวมีความต้านทานต่อการติดตามและความทนทานต่อส่วนประกอบ ปรับเทียบในขั้นตอนการประกอบขั้นสุดท้ายเพื่อขจัดข้อผิดพลาดที่แก้ไขแล้วให้เป็นศูนย์

แนวทางปฏิบัติเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานเช่น การวัดค่าไฟฟ้าอัจฉริยะ โดยที่วงจรแอมแปร์มิเตอร์จะต้องคงความแม่นยำไว้หลายปีโดยไม่ต้องสอบเทียบใหม่ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความสม่ำเสมอแบบช็อตต่อช็อตที่แคบที่สุด โซลูชันการตรวจจับกระแสที่มีความแม่นยำโดยเฉพาะสามารถปรับปรุงกระบวนการออกแบบให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น คุณสามารถดูวิธีที่ Fanhar จัดโครงสร้างแนวทางการตรวจจับกระแสที่แม่นยำได้ใน การตรวจจับกระแสที่แม่นยำ ภาพรวม

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่คุณควรหลีกเลี่ยง

แม้แต่ shunt หรือ CT ที่เลือกสรรมาอย่างดีก็สามารถสร้างผลลัพธ์ที่ไม่ดีได้หากการออกแบบโดยรอบมีข้อบกพร่อง ต่อไปนี้เป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดที่เราเห็นในการพัฒนาผลิตภัณฑ์:

1. การใช้ shunt ที่มีแนวต้านสูงเกินไปสำหรับช่วงปัจจุบัน สิ่งนี้ทำให้เกิดความร้อนในตัวเองและแรงดันไฟฟ้าตกซึ่งอาจทำให้รางจ่ายไม่เสถียร
2. โดยลืมไปว่าจะต้องไม่เปิด CT รองไว้ แหล่งจ่ายไฟสำรองแบบเปิดสามารถสร้างไฟฟ้าแรงสูงและทำให้ฉนวนหรืออุปกรณ์เสียหายได้
3. การเชื่อมต่อวงจรวัดแสงที่มีกราวด์ร่วมกับวงจรไฟฟ้า สิ่งนี้เอาชนะข้อดีการแยกตัวของ CT และสามารถส่งเสียงรบกวนเข้าไปใน ADC
4. ละเว้นข้อผิดพลาดของเฟสในการวัดกำลัง แม้แต่การเปลี่ยนเฟสเล็กน้อยระหว่างแรงดันและกระแสก็สามารถสร้างข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ในกำลังจริงได้ โดยเฉพาะที่แฟคเตอร์กำลังต่ำ

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับวงจรแอมแปร์มิเตอร์

ไตรมาสที่ 1 ทำไมแอมป์มิเตอร์ถึงต่ออนุกรมกันตลอดเวลา?

เพราะกระแสจะเท่ากันในทุกองค์ประกอบในเส้นทางอนุกรม แอมมิเตอร์จะต้องจ่ายกระแสโหลดตามจริง ดังนั้นจึงต้องอนุกรมกับโหลด ไม่ใช่ต่อแบบขนานเหมือนโวลต์มิเตอร์

ไตรมาสที่ 2 ฉันสามารถใช้การแบ่งค่าเดียวกันสำหรับการวัดทั้ง DC และ AC ได้หรือไม่

ใช่ การสับเปลี่ยนแบบไม่เหนี่ยวนำสามารถทำงานได้กับ AC และ DC แต่คุณต้องตรวจสอบการตอบสนองความถี่และให้แน่ใจว่าความต้านทานมีเสถียรภาพที่ความถี่หลัก หม้อแปลงกระแสจะดีกว่าสำหรับไฟ AC หลักเมื่อจำเป็นต้องแยก

ไตรมาสที่ 3 อะไรคือความแตกต่างระหว่าง shunt และหม้อแปลงกระแส?

สับเปลี่ยนคือตัวต้านทานอย่างง่ายที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยตามสัดส่วนของกระแส หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าใช้การเชื่อมต่อแบบแม่เหล็กเพื่อลดขนาดกระแสไฟฟ้าและแยกจากด้านไฟฟ้าแรงสูง

ไตรมาสที่ 4 ฉันจะเลือกหม้อแปลงกระแสสำหรับมิเตอร์อัจฉริยะได้อย่างไร

ดูที่ช่วงกระแสไฟหลัก เอาต์พุตรอง (มักจะ 5-60A / 2.5mA) ระดับความแม่นยำ ข้อผิดพลาดของเฟส และความต้องการในการติดตั้ง PCB การจับคู่ข้อกำหนดเหล่านี้กับช่วงอินพุต ADC ของมิเตอร์ของคุณจะช่วยให้คุณอ่านค่าได้อย่างเสถียรและทำซ้ำได้