Sensori di corrente intelligenti isolati per applicazioni ad alta corrente (da 100 A a 1000 A)

Sistemi UPS ad alta potenza, caricabatterie integrati, inverter per motori di trazione, celle a combustibile, sistemi a batteria e altre applicazioni richiedono misurazione della corrente accurate a tensioni di modo comune elevate. Tradizionalmente, questi sistemi utilizzavano soluzioni di misurazione della corrente basate su shunt sotto i 50 A e basate sull'effetto Hall per correnti superiori a 50 A.

Metodologie di misurazione della corrente isolate

L'articolo di Texas Instruments "Comparing shunt- and hall-based isolated current-sensing solutions in HEV/EV" a cura di Krunal Maniar si occupa delle applicazioni per veicoli elettrici che utilizzano tecnologie isolate per la misurazione di correnti elevate. I metodi più comuni sono basati su shunt, tramite amplificatori o modulatori isolati, oppure su Hall, tramite sensori Hall ad anello aperto o chiuso, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1: Metodi di misurazione della corrente isolati (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I sistemi basati su shunt sono generalmente più facili da implementare, perché sono più lineari e offrono una maggiore precisione di misurazione della corrente rispetto ai metodi basati su Hall. La Tabella 1 confronta le caratteristiche di entrambe le tecnologie in diverse categorie.

Tabella 1: Confronto tra i metodi basati su shunt e quelli basati su Hall (Fonte: Texas Instruments)

Le applicazioni con potenze superiori, i requisiti di maggiore efficienza e la crescita del mercato globale dei veicoli elettrici (EV) e dei veicoli ibridi (HEV) che richiedono una maggiore precisione di misurazione della corrente, stanno suscitando l'interesse per soluzioni di misurazione isolate basate su shunt, idonee per correnti più elevate.

Tecnologia di misurazione intelligente della corrente isolata SSA di Riedon

I sensori di corrente intelligenti SSA di Riedon integrano uno shunt a bassa resistenza e alta potenza con un amplificatore di precisione isolato. Sono disponibili modelli con intervalli di misurazione della corrente da 100 a 1000 A. Fra le caratteristiche chiave vi sono un isolamento rinforzato RMS di 1500 V_c.c./1000 V_c.a., precisione iniziale di ±0,1%, linearità di ±0,1% nell'intervallo di corrente, alimentazione unipolare, uscita analogica differenziale e larghezza di banda di 300 kHz. La Figura 2 illustra lo schema funzionale del sensore.

Figura 2: Schema funzionale del sensore di corrente intelligente (Immagine per gentile concessione di Riedon)

La realizzazione fisica consiste in una barra di distribuzione dell'alimentazione con un alloggiamento sensore isolato, racchiuso attorno al centro della barra, come è visibile nel dispositivo SSA-250 nella Figura 3. Un connettore a quattro pin serie JWPF JST offre l'interfaccia con (1) alimentazione, (2) terra, (3) +Vin e (4) -Vin per il sensore incapsulato. Il connettore di accoppiamento corrispondente è il tipo JST J04R-JWPF-VSLE-S (alloggiamento) e SWPR-001T-P025 (contatto).

Figura 3: SSA-250 (Immagine per gentile concessione di Riedon)

La famiglia SSA di Riedon comprende quattro valori di corrente nominale: 100 A, 250 A, 500 A e 1000 A. (Nota: la versione da 1000 A usa una barra di distribuzione più larga con quattro fori di montaggio.)

Supporto di montaggio opzionale e cavo assemblato

Per facilitare il montaggio, per i modelli da SSA-100 a SSA 500 è disponibile un supporto di montaggio opzionale, SSA-BASE, illustrato nella Figura 4. È costruito con materiali classificati UL 94-V0 e viti in acciaio inox 5/16-18.

Figura 4: SSA-BASE (Immagine per gentile concessione di Riedon)

È disponibile un cavo assemblato con connettore opzionale, SSA-CABLE-1M, illustrato nella Figura 5. È compatibile con tutti i modelli SSA e la lunghezza del cavo standard è di 1 metro.

Figura 5: SSA-CABLE-1M (Immagine per gentile concessione di Riedon)

Il cavo assemblato utilizza il connettore di accoppiamento JST per i modelli SSA-xxx e due doppini intrecciati di sezione 22 con codifica a colori. Un doppino intrecciato (rosso/nero) è destinato ai collegamenti di alimentazione e di terra del sensore e l'altro (giallo/bianco) è per i segnali di uscita dell'amplificatore differenziale (+) e (-).

Progetto proof of concept del sensore di corrente Bluetooth da 100 A

Il progetto aveva lo scopo di sviluppare un sensore di corrente wireless Bluetooth da 100 A proof of concept con il sensore SSA-100 di Riedon e minuteria di serie. Per il controller principale e la connettività Bluetooth, ho usato la scheda nRF52840 Feather Express di Adafruit. Ho scelto questa scheda perché incorpora Bluetooth e supporta la programmazione CircuitPython. Ho iniziato a usare CircuitPython nei miei progetti basati su microcontroller perché è molto versatile, facile da usare, disponibile su più piattaforme e ha un ampio supporto di librerie/esempi di Adafruit. Dato che il segnale di corrente del sensore SSA-100 è una tensione analogica differenziale di 12 mV/A, ho aggiunto la scheda di breakout ADS1115 ADC di Adafruit. Questa ADC fornisce 4 canali, precisione a 16 bit, guadagno programmabile, interfaccia I²C e capacità di ingresso differenziale. La Figura 6 mostra lo schema di cablaggio tra l'hardware e il sensore di corrente di Riedon.

Figura 6: Progetto Scheme-it del sensore di corrente Bluetooth (Immagine per gentile concessione di Digi-Key)

La distinta base completa è contenuta nel progetto Scheme-it® di Digi-Key sotto riportato.

Il codice CircuitPython su nRF52840 Feather Express imposta la connessione Bluetooth e invia le letture della corrente dal sensore SSA-100 a un cellulare Android. I dettagli del progetto, ad esempio il codice CircuitPython e i collegamenti di riferimento, si trovano nel progetto eeWiki del sensore di corrente da 100 A wireless Bluetooth.

Impostazione del test e risultati

Per i test, ho installato il sensore di corrente in serie con la batteria da 12 V nel mio ATV Honda, come mostra la Figura 7. L'attivazione del verricello elettrico del mezzo ha fornito un carico di corrente da misurare tramite l'apposito sensore.

Figura 7: Impostazione del test sull'ATV Honda (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'app mobile BlueFruit LE Connect di Adafruit è stata installata su un cellulare Google Pixel per mostrare le misurazioni della corrente inviate da nRF52840 Feather Express. È stata utilizzata la modalità "Plotter" dell'app per visualizzare le letture di corrente SSA-100 all'attivazione del verricello. La Figura 8 mostra le letture di corrente sia con verricello in trazione che in rilascio.

Figura 8: Grafico di BlueFruit LE Connect (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Conclusione

I sensori di corrente SSA di Riedon sono precisi, versatili e facili da usare. Possono essere utilizzati tanto su high-side che su low-side in applicazioni sia in corrente alternata che in corrente continua. Essendo altamente lineari, i sensori possono essere facilmente incorporati in circuiti ad alta potenza per implementare un'accurata capacità di misurazione della corrente isolata.