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利用電纜上的電壓降便可以測(cè)量長(zhǎng)電纜中流動(dòng)的大電流

安森美 ? 來(lái)源:lq ? 2018-11-30 16:49 ? 次閱讀

利用電纜上的電壓降便可以測(cè)量長(zhǎng)電纜中流動(dòng)的大電流,而無(wú)需龐大的分流器或昂貴的磁測(cè)量方法。但是銅的溫度系數(shù) (溫度補(bǔ)償系數(shù)) 為+0.39%/°C,這限制了測(cè)量精確度。

溫度傳感器可以做出補(bǔ)償,但僅限于點(diǎn)測(cè)量裝置,其相關(guān)性可能會(huì)因電纜長(zhǎng)度出現(xiàn)問(wèn)題。要考慮到2.5°C的電纜溫度誤差或差異會(huì)引起1%的誤差。

如果在最大電流下至少有 10mV 的壓降,則可用現(xiàn)代零漂移放大器 (自動(dòng)歸零,斬波器等) 輕松測(cè)量。這些放大器提供超低偏移性能,可以精確感測(cè)滿量程低壓降。

剩下的就是如何處理溫度系數(shù)。本設(shè)計(jì)實(shí)例提出的解決方案利用了大電流電纜是由許多細(xì)股組成的這一事實(shí),示例中的 AWG 4電纜包含1050股 AWG 34線。

在圖1中,運(yùn)算放大器非反相輸入檢測(cè)電纜負(fù)載端的電纜壓降。MOSFET 處于輸出/反饋路徑中,這一路徑通過(guò)溫度感測(cè)線 (通常是用于設(shè)置增益的電阻),在電源處結(jié)束。電路迫使該增益設(shè)置元件出現(xiàn)壓降,且壓降正好等于主電纜壓降。這種情況下,增益設(shè)置元件是嵌入在定制絕緣電纜組件 (包括大電流電纜) 內(nèi)的34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格線的單股絕緣線 (包漆,如電磁線)。

圖1:使用比例電纜實(shí)現(xiàn)大電流測(cè)量溫度補(bǔ)償

AWG 34 = 265.8Ω/1000ft

AWG 4 = 0.248Ω/1000ft

(來(lái)源:

http://www.brimelectronics.com/AWGchart.HTM)

例如,0.474 ft. 4號(hào)線 = 117.6 μΩ;10 mV 壓降 @ Iin= 85A;Iout= 80mA。

由于電纜由1050股線組成,電流會(huì)流入 MOSFET 和增益元件,正比于總電流除以1050。增益元件和電纜均由銅構(gòu)成,并且處于緊密的熱接觸中,抵消了輸出隨溫度的變化。

反饋電流流出 MOSFET 漏極,通過(guò) RLoad 接地,提供接地參考輸出電壓。

線股解決了其它溫度傳感器的兩個(gè)主要問(wèn)題:

1. 導(dǎo)線是跨越整個(gè)電纜的 “分布式” 傳感器,能更好地感測(cè)整體溫度情況;

2. 導(dǎo)線和主電纜一樣為銅材料,可實(shí)現(xiàn)完美的溫度補(bǔ)償。

實(shí)際測(cè)試

我們使用四英尺長(zhǎng)的 JSC 1666 AWG 4電纜進(jìn)行測(cè)試。沿電纜長(zhǎng)度方向切開絕緣層,將34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電磁線插入絕緣層。電路中使用了 NCS333 運(yùn)算放大器。由于運(yùn)算放大器共模電壓與其供電軌相等,因此必須具有軌到軌輸入能力 (或使用更高的電源)。此外,它應(yīng)該是零漂移 (斬波器) 放大器,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)軌到軌運(yùn)算放大器在正軌附近的性能通常較差。

圖2:測(cè)試裝備。由于感測(cè)線長(zhǎng)度影響絕對(duì)精度,因此將其連接到電路板的兩根灰色電線為較重規(guī)格。

測(cè)量值

RLoad= 50Ω 1%

空載時(shí),Vout 讀數(shù)為 94μV;

10A 負(fù)載下,Vout= 454.6mV(5.85%誤差);

58A 負(fù)載下,Vout= 2.604V(5.7%誤差)。

將測(cè)試裝備放入溫控柜中,在室溫至100°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。顯示的附加誤差小于0.1%。有幾個(gè)因素可能會(huì)導(dǎo)致該誤差,例如運(yùn)算放大器偏移漂移,以及電纜終端的電阻和熱電偶效應(yīng)。

造成誤差的電線公差

為了解實(shí)際電纜結(jié)果會(huì)怎樣,我列出了以下電線數(shù)據(jù),顯示34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電線有2%的公差。人們會(huì)認(rèn)為4號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電線的總體公差也差不多。這表明根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公差制造的商業(yè)電線僅僅因?yàn)殡娎|本身的原因,就會(huì)產(chǎn)生4%的精確度限制。電子設(shè)備還有其它一些限制因素也會(huì)影響精確度,不過(guò)用戶當(dāng)然會(huì)進(jìn)行調(diào)整,或者與使用的電纜匹配。

圖3:電線數(shù)據(jù)。(來(lái)源:weicowire.com)

最后需要注意的是,制造實(shí)現(xiàn)此功能的電纜似乎很麻煩。這個(gè)概念是由 OEM 提出,目的是讓 OEM 可以指定包含一股漆包線的定制電纜作為增益電阻。電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車有許多大電流電纜,OEM 可以利用這一特點(diǎn)消除大的分流。這種方法提供的精確度和溫度性能,相對(duì)磁感測(cè)來(lái)說(shuō)確實(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)力,而且成本較低,特別是在 OEM 量產(chǎn)的情況下。

在小批量的情況下,將感測(cè)線包裹或捆扎在電纜外側(cè),仍會(huì)具備分布式溫度感測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。由于電纜絕緣,在耦合更弱且實(shí)際電纜銅溫度的時(shí)間常數(shù)更長(zhǎng)的情況下,感測(cè)對(duì)環(huán)境溫度更為敏感。

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原文標(biāo)題:使用銅對(duì)大電流測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償

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