閉ループ電流トランスデューサの特性

アプリケーションに合わせて電流トランスデューサを適切に選択すると、25 年以上の耐用年数が容易に得られます。 データシートの背後にある詳細を理解することで、アプリケーションのパフォーマンスが向上し、より堅牢な設計が可能になります。

Erik Lange、マーケティング & アプリケーション エンジニア | LEM USA, Inc

電流測定はパワー エレクトロニクスに不可欠な部分です。 電流トランスデューサは、利用可能なさまざまなテクノロジーを使用してこの測定を提供します。 使用される最も一般的なテクノロジーは、閉ループ ホール効果または閉ループ フラックス ゲートです。 クローズド ループ テクノロジーは、パワー エレクトロニクス設計者が必要とする多くの特有の利点を提供します。 ただし、アプリケーションを例外的なものにしたり、失敗につながる可能性がある、あまり知られていない詳細がいくつかあります。 以下に、考慮すべきいくつかの特性を示します。

電流トランスデューサは、測定対象の電流に積極的に影響を与えないという概念の受動デバイスですが、動作するには電力が必要です。 一般的な電源要件は、電源電圧に関係なく、30mA 未満の範囲にあります。 ほとんどのトランスデューサはバイポーラ電源 (通常は +/-15V) を必要とします。 ユニポーラ電源トランスデューサはますます入手可能になってきています。 閉ループ デバイスには、二次電流に対する追加の電流引き込み要件があります。

電流トランスデューサ (変流器と混同しないでください) は、DC 電流と AC 電流を測定できます。 DC測定には電流トランスデューサが必要です。 これは、トランスデューサを他の電流測定形式から区別する 2 つの特性のうちの 1 つです。 純粋な AC 電流は、一般的な変流器で測定できます。 ただし、測定する電流に di/dt のない期間がある場合は、電流トランスデューサが必要です。

ガルバニック絶縁は、電流測定アプリケーションのソリューションとして電流トランスデューサを選択する際の 2 番目の特性です。 電流変換器の一次回路と二次回路は互いに電気的に絶縁されています。 これにより、高い一次電位 (480V) が可能になり、一方で二次側の制御電圧は低くなります (+/-15V または +5V)。 ガルバニック絶縁は磁気によって実現されます。 一次電流は磁気回路によって集中される磁場を生成します。 磁気測定装置は B フィールドを測定し、その強度を何らかの形式 (電圧またはしきい値電流) で出力します。 強度情報は、一次電流に比例する電圧または電流出力に変換されます。

開発された独自の電流トランスデューサーはオープン ループ ホール効果です。 このトランスデューサは、磁気回路、ホールセル、アンプの 3 つの部分で構成されています。 出力は一次電流に比例した電圧です。

トランスデューサ技術の次の進歩は、閉ループ ホール効果です。 クローズド ループはオープン ループの概念を取り入れ、出力に二次巻線を追加します。 この二次巻線は、二次電流が一次電流によって生成される磁界とは逆の磁界を生成するように磁気回路に巻き付けられます。 これにより、比較的磁束の少ないコアが作成されます。 閉ループの利点は、渦電流が実質的に存在しないことと、帯域幅が広いことです。 出力は、二次巻線数によって決定される比率で一次電流に比例する電流を含む電流源としてモデル化できます。 ゲインが二次巻線の数によって決まるという事実により、温度によるゲインの変化の影響をほとんど受けなくなります。 閉ループ トランスデューサのデータシートには、ゲイン特性に対する温度の影響は記載されていません。 閉ループデバイスの温度によるゲインには影響はありません。 電流出力は、アプリケーション内のノイズ源の影響を受けにくいため、利点があります。 閉ループの出力電流は通常、「負担」抵抗を介して駆動されます。 抵抗器を流れる電流により電圧降下が発生し、この電圧降下をアナログ/デジタル IC またはコンパレータ IC で測定できます。

図 1. 閉ループ

閉ループ フラックス ゲートは、ホール セルをフラックス ゲート検出器に置き換えます。 フラックスゲートは、磁気回路のギャップに挿入される磁性材料です。 フラックス ゲート コアの周囲には方形波電圧によって刺激される巻線があります。 誘導された電流が測定され、特定のしきい値に達すると、方形波のサイクルが変化します。 方形波のデューティ サイクルは一次電流に比例します。 フラックス ゲート テクノロジは本質的にデジタルであり、クロック周波数でノイズとして現れる可能性がある内部クロックを備えています。 ただし、ノイズはトランスデューサの帯域幅をはるかに超えています。 したがって、完全なシステムは、磁気回路、フラックス ゲートと巻線、ASIC、および二次巻線で構成されます。 負荷抵抗器はデバイスの内部にある場合があり、電圧出力が生成されます。 そうしないと、電流出力が生成されます。 異なる励起スキームと検出スキームを使用するフラックス ゲート テクノロジーは他にもありますが、全体的な結果は同様です。