Bir sistemde gerilim ölçmek sistem başarımını etkilemeden herhangi bir noktada yapılabilen “edilgen” bir işlemdir. Ama akım ölçmek, bir sensörün sisteme sokularak yapıldığı, sistem başarımını etkileme tehlikesi olan “zorlayıcı” bir işlemdir.

Akım ölçümünün, çoğu güç ve enstrümantasyon sisteminde hayati önemi vardır. Akım ölçümü öncelikli olarak devre koruması ve denetimi için kullanılıyordu. Teknolojinin gelişmesiyle akım ölçümü, başarımı geliştirme ve görüntüleme yöntemine dönüştü.

Yükün ne kadar akım çektiğini bilmek çoğu uygulama için yararlı olabilir. Akım algılama birçok elektronik sistemde kullanılmaktadır. Örneğin; pil ömrü göstergeci ve şarj cihazları, 4-20 mA sistemleri, aşırı akım koruma ve denetleme devreleri, akım ve gerilim düzenleyiciler, DA gerilim kıyıcılar, toprak kaçağı algılayıcılar, programlanabilir akım  kaynakları, doğrusal ve anahtarlamalı güç kaynakları, iletişim cihazları, otomotiv güç elektroniği, motor hız denetimi ve aşırı yük koruması vb…

Akım Algılama İlkesi

Akım algılayıcı akımı algılayan ve kolayca ölçülen çıkış gerilimine (ölçülen yoldaki akımla orantılı) dönüştüren bir cihazdır.

Akım bir kablodan ya da devreden aktığında, gerilim düşümü olur. Aynı zamanda akım taşıyan iletkenin etrafında manyetik alan oluşur. Her iki ilke de akım sensörü tasarımında kullanılır. Yani akım algılamanın iki çeşittir: doğrudan ve dolaylı. Doğrudan algılama Ohm yasasına dayanırken, dolaylı algılama Faraday ve Ampere yasasına dayanır.

Doğrudan algılama, akımın geçtiği edilgen devre elemanının üzerindeki gerilim düşümünün ölçülmesidir.

Doğrudan Akım Algılama
Doğrudan Akım Algılama

Dolaylı algılama, akım geçen iletkenin etrafındaki manyetik alanın ölçülmesidir.

Dolaylı Akım Algılama
Dolaylı Akım Algılama

Üretilen manyetik alan, ölçüm ve/veya sistemi denetlemek için, oransal gerilim ya da akım indüklemede kullanılır.

EDİLGEN ÖGE TEMELLİ AKIM ALGILAMA YÖNTEMLERİ

1. Algılayıcı Direnç

Akım algılama, devrede ilgilenilen yerde akımı temsil eden gerilim sinyali oluşturmak anlamındadır. Akım algılamanın geleneksel yolu, akım algılanacak yolda direnç bulundurmaktır. Algılayıcı direnç indüktör, anahtar ya da yükle seri bağlanabilir. Böylece algılayıcı direnç, akım gerilim dönüştürücü olarak düşünülebilir.

Algılayıcı direnç aşağıdaki özellikllere sahip olmalıdır:

  • Güç Kaybını En Aza İndirmek İçin Düşük Değer

Algılayıcı direncin değeri öncelikli olarak, algılanan akım değerine göre çalışacak devrenin gerilim eşiğine bağlıdır. Yükseltmenin mümkün olduğu devrelerde dirençteki gerilimin en düşük seviyede olması esastır.  Çeşitli tümleşik devrelerde kullanılan yaygın direnç değeri 20mohm ile 25mohm arasındadır.

  • Yüksek di/dt Nedeniyle Düşük Endüktans

Endüktif empedans durumunda, akımın zamana göre değişim hızı (di/dt) yüksek olursa, algılama gerilimi üzerine endüktif basamak gerilimi eklenebilir. Bu da devrede arızalara neden olabilir. Bu yüzden algılayıcı direncin endüktansı düşük olmalıdır.

  • Düşük Hata Payı

Akım beslemesini kabul edilebilir sınırda en yüksek seviyeye çıkarmak için, direncin hata payı ±%1 ya da daha düşük olmalıdır.

  • Doğruluk İçin Düşük Isı Katsayısı

Birimi derece santigrat başına milyonda bir parçadır (ppm/°C). Direnç sıcaklık katsayısı doğruluk için önemli bir değişkendir ve tüm çalışma anlarında katsayısı sıfıra yakın olan dirençler tercih edilmelidir.

  • Kısa Süreli Yüksek Akım Atımlarını Kaldırabilmesi İçin Yüksek Tepe Güç Değeri

Güç değeri algılayıcı direnç için uygun teknoloji seçiminde itici unsurdur. Cihaz doğru akımı algılamak için kullanılsa da bazen geçici durumlar oluşabilir.

Güç azalma eğrisi farklı sıcaklıklarda sağlanabilecek gücü gösterir. Ama tepe güç olanağı, enerjinin bir işlevidir. Bu yüzden enerji eğrisi de hesaba katılmalıdır.

  • Güvenilirlik İçin Yüksek Sıcaklık Oranı

Akım algılama dirençlerinin artıları ve eksileri şöyledir:

Artıları

  • Düşük maliyet
  • Yüksek ölçüm doğruluğu
  • Çok düşükten ortaya ölçülebilir akım aralığı
  • DA ya da AA ölçebilme

Eksileri

  • Ölçülecek devre yoluna direnç eklendiği için çıkış direncini arttırıp istenmeyen yük etkilerine neden olabilir.
  • Güç kaybından dolayı akım algılama dirençleri orta seviyeden yüksekte nadiren kullanılır.

2. Bakır Dirençle Akım Algılama

Ayrıyeten bir direnç kullanmak yerine, devre üzerinde bir bakır kesiti düşük değerli bir direnç olarak kullanmak da çoğu zaman faydalıdır. Bu yöntemde güç kaybı daha az olup, ayrı bir direnci ekleme yükünden ve maliyetinden kurtaracaktır. Ama bakırın direnci çok düşük olduğundan, algılanan gerilim ya önemli oranda yükseltilmelidir ya da baskı devre yüzeyinde direncin uzunluğu arttırılmalıdır. Diğer bir önemli etken de bakırın direnç sıcaklık katsayısıdır (0.39 %/°C) ve %50’lik sıcaklık artışı için %20 değişime karşılık gelir.

3. MOSFET-RDS

Mosfetler iletimde ve omik (doymamış, doğrusal) bölgede direnç gibi davranır. Akaç-kaynak (drain-source) arasındaki gerilim ölçülüp, RDS bilinirse akım belirlenebilir. Bu yöntemin temel eksiklikleri; düşük doğruluk ve geçici durum anında sıfır olmayan kapı akımlarının gürültüsü, RDS’nin doğrusal olmaması, RDS’nin Cox (oksit tabakası kapasitansı), VT (ısıl gerilim) ve sıcaklığa bağlı olmasıdır.

4. Algılayıcı FET

Algılayıcı FET
Algılayıcı FET Devresi

Çoğu yeni güç MOSFET’i uygulamasında kullanılan kullanışlı bir yöntemdir. Güç MOSFET’ine paralel akım algılayan FET kullanılır. Algılayıcı MOSFET’in (algılayıcı FET) etkin genişliği güç FET’inden önemli oranda (10000 kere) azdır. Algılayıcı FET yönteminin doğruluğu  ±%20 civarındadır.

5. Sensörsüz (Gözleme Dayalı) Yaklaşım

Bu yöntem indüktör akımı için indüktör gerilimini ölçmeye dayanır. İndüktörün akım gerilim eşitliği v=L*di/dt olduğu için, indüktör akımı gerilimin zamana göre integrali alınarak hesaplanabilir. İntegral alıcıda doymayı engellemek için, belirli aralıklarla sıfırlanır ve bu nedenle sadece AA dalgalılık akımı hesaplanır. Ayrıca L değeri bilinmelidir.

6. Ortalama Akım

Ortalama Akım
Ortalama Akım Devresi

Bu yöntemde dönüştürücü anahtar ekleminde bir RC alçak geçiren süzgeç kullanılır. Bu yüzden, süzgecin çıkış kapasitörünün gerilimi, ortalama faz düğümü gerilimine eşittir. Sonuç olarak yükseltecin girişindeki fark gerilimi indüktördeki DA gerilimidir. VI-Average RESR’nin (indüktör direnci) ve IL-DC’nin bir işlevidir.

7. İndüktörü Süzgeçle Algılama

ddf
İndüktörü Süzgeçle Algılama Devresi

İndüktördeki gerilimi süzmek için RC alçak geçiren süzgeç kullanılır ve indüktörün denk seri direnci (ESR) üzerinden akım algılanır.

MANYETİK ALAN TEMELLİ AKIM ALGILAMA YÖNTEMLERİ

Dirençle akım algılama yöntemleri çoğu uygulamada faydalı olsa da, kendine has üç eksiği şunlardır:

  • Besleme hattı gerilim düşümü
  • Sokulan dirençteki güç kaybı
  • Ortak kip hataları

Bu sorunların çoğu düşük besleme gerilimi ya da düşük-orta seviyeye kadar olan akım miktarı için önlenebilir fakat gerilim ya da akım yükseldiğinde önemli hale gelir. Yüksek seviyelerde (>10) akım ölçerken ya ada besleme gerilimi yüksekken (48 V), önerilen çözüm manyetik leri kullanmaktır. Manyetik bağlaşma kullanmanın önemli ve bariz  faydalarından biri elektriksel yalıtımdır.

Bu sensörlerde, akım taşıyan iletkenin ürettiği manyetik alanı toplayan, manyetik geçirgen çekirdek kullanılır. Manyetik alan çeşitli yöntemlerle algılanır:

1. Hall Etkisi Sensörü

Hall etkisi ilkesine göre akım taşıyan iletken manyetik alana yerleştirildiğinde, alanın ve akımın yönüne dik yönde gerilim üretilir.

İnce yüzeyli yarıiletken malzemeden sürekli akım aktığında, manyetik alan sıfırsa çıkışta potansiyel fark yoktur. Ama  dik bir manyetik alan varsa, akım akışı saptırılır. Elektron yoğunluğunun eşit olmayan dağılımı çıkış uçlarında potansiyel farkı oluşturur. Bu fark Hall gerilimi olarak adlandırılır. Giriş akımı değişmez tutulursa, Hall gerilimi doğrudan manyetik alanın gücüyle orantılı olacaktır.

Hall

Hall gerilimi, 1 Gauss’luk manyetik alan için 20 – 30 mV civarında düşük seviye bir sinyaldir. Bu genlikte bir sinyal düşük gürültü, yüksek empedans ve orta seviye kazanç yükselteci gerektirir.

Hall 2

Hall gerilimi aşağıdaki yöntemlere dayalıdır. Birincil ve ikincil devreler arasında galvanik yalıtımla; DA, AA ve dürtü akımlarını ölçmek için kullanılabilirler.

Açık Döngülü Hall Etkisi Teknolojisi

Açık Döngülü Hall
Açık Döngülü Hall Etkisi Devresi

Bu teknolojiye dayalı leri elektronik transformatörlerdir. Birincil akım Ip manyetik akı yaratır ve Hall ucu, manyetik akıyla orantılı gerilim sağlayan manyetik devrenin hava boşluğuna yerleştirilir.  Ip ile orantılı bu gerilim, yükseltilerek daha ileri işlemler için kullanılır.

Açık döngü sensörün doğrusallığı manyetik çekirdeğin ve Hall üretecinin özellikleri ile belirlenir. Sıcaklığa bağlı sıfırlama (offset) sapması Hall üretecinin sıcaklık duyarlılığıyla belirlenir.

Kapalı Döngülü Hall Etkisi Teknolojisi

Kapalı Döngülü Hall Etkisi Devresi
Kapalı Döngülü Hall Etkisi Devresi

Buna dayalı sensörler de transformatörlerdir. Birincil akım Ip manyetik akı yaratır ve Hall ucu, manyetik akıyla orantılı gerilim sağlayan manyetik devrenin hava boşluğuna yerleştirilir. Bu gerilim it – çek sürücü aşamasını besler ve bu aşama manyetik çekirdeğe seri zıt sarılı sargıları sürer. Böylece algılanan akımın alanına eşit ve zıt yönde manyetik alan oluşturularak çekirdek akısı sürekli sıfır seviyesinde tutulur. İkincil akım kendisini oluşturan birincil manyetik alanı kaldırır (karşıt tepki). Kapalı döngü sensörün çıkışı ayrık akımla ve sarım sayısıyla orantılıdır.

Kapalı döngü yaklaşımı, manyetik çekirdeğin doğrusal olmama etkilerini yok ederek ve Hall elemanının sıcaklık duyarlılığı etkilerini azaltarak sensörün başarımında önemli gelişmeler sağlar.

Elektronik Teknolojisi

Elektronik Teknolojisi
Elektronik Teknolojisi

Bu yöntemde açık döngü ve kapalı döngünün aksine manyetik etki kullanılmaz. Birincil akım Ip manyetik akı oluşturur ve sensördeki farklı Hall uçları manyetik akıyla orantılı gerilim sağlar. Hall etkisi temelli sensörler, eleman sokulması kaynaklı kayıplardan (ayrıca ısı vb.) etkilenmez. Dirençle algılama yöntemleriyle kıyaslandığında; frekans aralığı, maliyet, DA sıfırlama (offset) ve harici güç kaynağı, Hall etkili tümleşik devre teknolojisinin eksikleridir.

2. Rogowski Sargısı

Rogowski Sargısı
Rogowski Sargısı

Cihaz, manyetik olmayan, esnek ya da ölçülecek akımı taşıyan iletkeni saran bir daire şeklindeki çekirdeğe düzgün olarak sarılmış, tek katmanlı sargıdan oluşur. Telden geçen almaşık akımın kutuplanması sürekli değişir. Değişen kutuplanma büyüyen ve yok olan manyetik alana neden olur. Sonuç olarak sargılarda akım indüklenir. Daha sonra akım ölçüm ya da denetim sistemi için uygun hale getirilir.

Bu yöntemin uygulamaları, ısıl gürültüyü ve sapmayı yok etmek için düşük frekans azaltma içerir. Rogowski sargısının en önemli faydası, çekirdek hava olduğu için doyuma gidecek malzeme yoktur ve sargı çıkışı çok yüksek akımlar için doğrusal kalır. Bu cihaz yüksek enerjili akım atımlarını ya da üst bant genişliği MHz seviyesine çıkabileceği için yüksek frekanslı harmonik içeren geçici durumları ölçmede kullanılır.

3. Transformatör Yöntemi

Transformatör Yöntemi
Transformatör Yöntemi

Bu yöntem Rogowski sargısının gelişmişidir. Çekirdekte hava yerine manyetik akıyı sargının içine toplayan bir malzeme kullanılır. Akının çekirdekten geçmek yerine tutulmasıyla, sargı akımı ve iletkendeki akım arasındaki doğrudan ilişki elde edilir.

Akım algılama transformatörlerinin, basit algılayıcı dirençlere göre önemli üstünlükleri vardır. Elektriksel yalıtım sağlarlar, kayıpları önlerler ve harici güç gerektirmezler. Akım algılayıcı transformatörde daha düşük güç kaybı, daha yüksek sinyal seviyesi sağlayarak denetim sistemindeki sinyal gürültü ortamını geliştirir.

Akım transformatörleri yüksek güçlü sistemlerde akım ölçmek için yaygın olarak kullanılırlar. En büyük eksiklikleri, büyük boyut, maliyet ve DA ölçememeleridir.

4. Fiber Optik Akım Algılayıcılar

Manyeto-optik sensörlerin gelişmesi manyetik alan ve akım ölçme uygulamalarındaki kullanımını gösterdi. Manyeto-optik etkinin ilkesi manyetik alanla, ışığın saydam ortamda kırılması ve yansıması ile ilgili olgunun ilişkisine dayalıdır. Elektromanyetik karışmaya (EMI) bağışıklıdırlar ve yüksek gerilime karşı iyi yalıtım sağlarlar.

Akım sensörleri Faraday manyeto-optik etkisini kullanır. Faraday etkisi saydam malzemedeki manyetik alan yoğunluğundan dolayı elektromanyetik dalga kutuplanmasını değiştirir. Akımın oluşturduğu manyetik alan, ferromanyetik malzemede yayılan kutuplanmış ışığın kutuplanma yüzeyinde bir açı değişimine (dönmeye) neden olur. Dönme kutuplayıcılar ve girdi ve çıktıdaki çözümleyicilerle belirlenir. Söz konusu kutuplanmada dönmeyi izleyerek, manyetik alan ve böylece akım hesaplanabilir.

Manyeto-optik Etki
Manyeto-optik Etki

Etkinin büyüklüğü daha çok manyeto-optik malzeme değişmezine (Verdet değişmezi) ve manyetize malzemede hareket eden dalganın uzunluğuna bağlıdır.

DÜŞÜK TARAFTAN VE YÜKSEK TARAFTAN ALGILAMA

Bunlar akım algılama uygulamalarındaki iki basit yöntemdir. Düşük ya da alçak taraf, algılayıcı direncin yerleştirilmesine göredir.

Alçak Taraftan Akım Algılama

Alçak Taraftan Akım Algılama
Alçak Taraftan Akım Algılama

Direnç yük ile toprak arasına yerleştirilir. Normalde algılanan gerilim çok düşüktür ve çıkış geriliminin ölçülebilmesi için işlemsel yükselteçlerle yükseltilmesi gerekir.

Artıları

  • Düşük girişli ortak mod gerilimi
  • Toprak referanslı giriş ve çıkış
  • Basit ve ucuz

Eksileri

  • Toprak yolu bozucu etkisi
  • Algılama direnci toprak yoluna istenmeyen direnç eklediği için yük sistemin toprağından kaldırılır.
  • Tespit edilemeyen kısa devre durumunda yük akımı yüksek olur.

Alçak taraftan akım algılama, kısa devre tespiti gerekli değilse ve toprağın bozucu etkisi önemli değilse kullanılmalıdır.

Yüksek Taraftan Akım Algılama

Yüksek Taraftan Akım Algılama
Yüksek Taraftan Akım Algılama

Direnç besleme ile yük arasına bağlanır. Algılanan gerilim, ölçülebilir çıkış için işlemsel yükselteçlerle yükseltilir.

Artıları

  • Toprağın bozucu etkisini kaldırır.
  • Yük doğrudan sistemin toprağına bağlıdır.
  • Kısa devre arızalarından kaynaklanan yüksek yük akımını tespit eder.

Eksileri

  • Çok yüksek ve dinamik ortak mod giriş gerilimlerini taşıyabilmelidir.
  • Karmaşık ve pahalıdır.

Yüksek taraftan akım algılama, fark yükseltecinin VCM aralığı, orak mod giriş gerilimini taşıyabilecek kadar geniş olduğunda kullanılmalıdır.

 Kaynak: http://www.engineersgarage.com/articles/current-sensor?page=1