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使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償

發(fā)布時間:2018-01-10 來源:Jerry Steele 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】利用電纜上的壓降可以測量長電纜中流動的大電流,但是銅的溫度系數(shù)(溫度補(bǔ)償系數(shù))為+0.39%/°C,限制了測量精確度。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),解決了其它溫度傳感器的主要問題,從而更好地感測整體溫度并實(shí)現(xiàn)完美的溫度補(bǔ)償。
 
利用電纜上的電壓降便可以測量長電纜中流動的大電流,而無需龐大的分流器或昂貴的磁測量方法。但是銅的溫度系數(shù)(溫度補(bǔ)償系數(shù))為+0.39%/°C,這限制了測量精確度。
 
溫度傳感器可以做出補(bǔ)償,但僅限于點(diǎn)測量裝置,其相關(guān)性可能會因電纜長度出現(xiàn)問題。要考慮到2.5°C的電纜溫度誤差或差異會引起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(自動歸零,斬波器等)輕松測量。這些放大器提供超低偏移性能,可以精確感測滿量程低壓降。
 
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,這一路徑通過溫度感測線(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號標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格線的單股絕緣線(包漆,如電磁線)。
 
使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償
圖1:使用比例電纜實(shí)現(xiàn)大電流測量溫度補(bǔ)償。
 
AWG 34 = 265.8Ω/1000ft
 
AWG 4 = 0.248Ω/1000ft (來源:http://www.brimelectronics.com/AWGchart.HTM) 例如,0.474 ft. 4號線 = 117.6 µΩ;10 mV 壓降使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償
 
由于電纜由1050股線組成,電流會流入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,通過使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償接地,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主要問題:
 
  1. 導(dǎo)線是跨越整個電纜的“分布式”傳感器,能更好地感測整體溫度情況;
  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)際測試
 
我們使用四英尺長的JSC 1666 AWG 4電纜進(jìn)行測試。沿電纜長度方向切開絕緣層,將34號標(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。
 
使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償
圖2:測試裝備。由于感測線長度影響絕對精度,因此將其連接到電路板的兩根灰色電線為較重規(guī)格。
 
測量值
 
使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償
 
空載時,使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償讀數(shù)為94µV;
 
10A負(fù)載下,使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償 = 454.6mV(5.85%誤差);
 
58A負(fù)載下,使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償 = 2.604V(5.7%誤差)。
 
將測試裝備放入溫控柜中,在室溫至100°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試。顯示的附加誤差小于0.1%。有幾個因素可能會導(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)果會怎樣,我列出了以下電線數(shù)據(jù),顯示34號標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電線有2%的公差。人們會認(rèn)為4號標(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影響精確度,不過用戶當(dāng)然會進(jìn)行調(diào)整,或者與使用的電纜匹配。
 
使用銅對大電流測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償
圖3:電線數(shù)據(jù)。(來源: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。電動和混合動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,相對磁感測來說確實(shí)具有競爭力,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,將感測線包裹或捆扎在電纜外側(cè),仍會具備分布式溫度感測的優(yōu)點(diǎn)。由于電纜絕緣,在耦合更弱且實(shí)際電纜銅溫度的時間常數(shù)更長的情況下,感測對環(huán)境溫度更為敏感。
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì),作者:Jerry Steele,安森美半導(dǎo)體公司。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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