11/18/2012
Snímače ve VPM Konstrukce polovodičových měničů
Snímače ve VPM obsah prezentace
• Vlastnosti snímačů s Hallovým generátorem • Proudová čidla – smínač s Hallovým generátorem s otevřenou smyčkou – smínač s Hallovým generátorem s uzavřenou smyčkou – snímač plně elektronického proudového čidla
• Napěťová čidla – smínač s Hallovým generátorem s uzavřenou smyčkou – snímač plně elektronického proudového čidla
• Vlastnosti napěťových a proudových čidel • Čidla teploty – odporová teplotní čidla – princip, provedení – polovodičová teplotní čidla – dilatační snímače – termostaty
• Průtoková čidla • Hlídače izolačního stavu KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače ve VPM • Pro měření a snímání fyzikálních veličin se používají zařízení označovaná jako čidla, transduktory, snímače, převodníky atd. • Pod tímto pojmem se rozumí zařízení převádějící snímanou veličinu na elektrický signál (digitální nebo analogový). • Vlastnosti a požadavky: – sejmutí fyzikální veličiny (informace) – zpracování a vyhodnocení pro další použití – zajištění galvanického oddělení KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
1
11/18/2012
Snímače proudu a napětí ve VPM • Tradiční metody měření proudů pomocí bočníků nebo proudových transformátorů se vyznačují řadou nevýhod: – – – –
ztráta výkonu v měřeném obvodu ovlivňování měřeného obvodu galvanické spojení vyžaduje zvláštní izolační zesilovač omezená šířka frekvenčního pásma
• Současný trend vývoje moderní výkonové elektroniky vyžaduje trvale bezpečnou funkci, snadnou manipulaci, kompaktní velikost a výhodný poměr ceny k výkonu. • Velmi často používají čidla s Hallovým generátorem, jejíž základní funkční princip detekce proudu je založen na měření magnetického pole, které se vytváří kolem vodiče protékaného proudem.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu a napětí ve VPM
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu a napětí ve VPM Hallův generator (Hall generator)
• V roce 1879 objevil americký fyzik Edwin Herbert Hall, že magnetické pole kolmé na elektrický proud způsobuje zvláštní jev: volné nosiče elektrického proudu jsou ve vodiči vychylovány z podélného směru a vytlačovány k okraji. Příčinou této odchylky je elektromagnetická Lorentzova síla. Mezi okraji vodiče se tedy vytvoří rozdíl potenciálů, kolmý na směr proudu.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
2
11/18/2012
Snímače proudu ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s otevřenou smyčkou (Open loop Hall effect technology)
Pro tento typ proudového čidla je důležité, aby Hallův generátor poskytoval lineární závislost mezi magnetickým tokem a Hallovým napětím. V čidle je integrován regulátor napětí a teplotní kompenzovaný měřicí zesilovač. Výstupní napětí Ua proudového čidla je úměrné primárnímu proudu Ip. Vlastnosti: • Galvanické oddělení •Nízká proudová spotřeba nezávislá na měřené hodnotě • Velmi kompaktní konstrukce bez sekundárního vinutí • Vysoká odolnost vůdčí přetížení • Dobrá přesnost v rozsahu DC až desítky kHz KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology)
Magnetický tok vytvářený primárním proudem je zcela vyrovnáván opačným magnetickým tokem vinutí kolem magnetického obvodu. Každá odchylka od nulového vyvážení vede k Hallovu napětí Hallova generátoru. Elektronický obvod ihned dodá sekundární proud Is potřebný ke kompenzaci magnetického pole. Potom platí , kde
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology)
Pro nízké frekvence pracuje čidlo na principu Hallova generátoru, při vyšších frekvencích sekundární cívka pracuje jako proudový transformátor. Počet závitů sekundární cívky je Ns = 1000 – 5000. Velikost generovaného proudu je pohybuje v rozmezích Is = 25 – 300mA výjimečně až 2A. Vložení vnějšího odporu umožňuje získat výstupní napětí širokého frekvenčním rozsahu proudu Ip.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
3
11/18/2012
Snímače proudu ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology)
Vlastnosti: • Galvanické oddělení • Vysoká dynamika, měření širokého spektra průběhů • Vysoká schopnost přetížení • Vysoká přesnost v rozsahu DC až 200 kHz
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu ve VPM Princip plně elektronického čidla
Proudová čidla bez magnetického obvodu. Primární proud tekoucí čidlem vytváří primární magnetický tok. Hallovy sondy v diferenciálním zapojení měří magnetický tok, který je zpracován v elektronickém obvodu, jehož výstupem je napětí a proud proporciálně shodný s primárním proudem.
Vlastnosti: • Galvanické oddělení • Měření širokého spektra průběhů • Vysoká měřicí rozsah (až 40 kA) • Vysoká dynamika
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače proudu ve VPM Honeywell, VAC, ABB, ETN
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
4
11/18/2012
Snímače proudu ve VPM LEM
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače napětí ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Close loop Hall effect technology)
Primární napětí Up je přivedeno mezi terminály HT+ a HT-. Umístěním odporu RE je v primárním obvodu vytvoří proud, který vyvolá magnetický tok působící na Hallův snímač. Dále je funkce stejná jako u proudového čidla. Vlastnosti: • Galvanické oddělení • Měření širokého spektra průběhů • Vysoká přesnost a spolehlivost
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače napětí ve VPM Princip plně elektronického čidla
• Napěťové čidlo bez magnetického obvodu. Primární napětí Up je přivedeno mezi terminály HT+ a HT- a je přes izolační zesilovač konvertováno na výstupní proud Is. Vlastnosti:
• Galvanické oddělení • Měření širokého spektra průběhů • Vysoká přesnost, dynamika, imunita na elektromagnetická pole a spolehlivost
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
5
11/18/2012
Snímače napětí ve VPM obsah prezentace
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM • Jmenovitý primární proud (IPN) napětí (UPN) – maximální proud nebo napětí, které je senzor schopen kontinuálně měřit (nezávisle na čase).
• Pracovní rozsah (IPN, UPN) a teplota (°C) – čidlo je navrženo pro jistý teplotní rozsah (-30 – +70°C), který je redukován v případě, užití čidla na vyšší proud či napětí než jmenovitý.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM • Měřicí rozsah (IPMAX a UPMAX) – maximální napětí či proud, které je čidlo schopné změřit – Velikost měřicího rozsahu závisí na: • Napájecím napětí • Měřicím odporu
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
6
11/18/2012
Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM • Výstupní signál proudového a napěťového čidla – Proudový výstup – vyšší imunita proti rušení, vyšší vzdálenost mezi snímačem na řídicím systémem.
– Napěťový výstup – 5 V logika; menší odolnost proti rušení; měřicí čidlo umístěno v těsné blízkosti řídicího systému (do cca 30cm). KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM LA 55-P SP1
KPM 2012/2013
LV 25-1000
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM definice, stupnice
Definice teploty: Fyzikální veličina vyjadřující míru tepelného stavu tělesa Teplotní stupnice • Termodynamická (Kelvinova)
– stupnice je určena dvěma pevnými body: • absolutní nula (ustává termický pohyb elementárních částic) – 0 K • trojný bod vody (rovnovážný stav mezi skupenstvími) – 273,16K
• Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 (International Temperatur Scale)
– vznik v roce 1927 (Celsiova), postupně upravována (naposledy 1990)
• Vzájemná souvislost teplotních stupnic:
T = + 273,15 [K], [°C]
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
7
11/18/2012
Snímače teploty ve VPM rozdělení snímačů
• Snímače pro kontaktní měření – elektrické • odporové kovové • odporové polovodičové • termoelektrické • polovodičové s PN přechodem (diodové, tranzistorové) – dilatační – tlakové – speciální
• Snímače pro bezkontaktní měření – monochromatické pyrometry – pásmové pyrometry – radiační pyrometry
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Odporové snímače – princip
Změna elektrického odporu kovu v závislosti na teplotě: Pt = 0,0039, Ni = 0,0062, Cu = 0,00426 Odpor při teplotě :
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Odporové snímače – princip
Materiály odporových čidel: – – –
platina nikl měď
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
8
11/18/2012
Snímače teploty ve VPM Odporové snímače – provedení Čidla vinutá
– spirálově stočený odporový drátek = 0,01 až 0,05 mm – provedení vinutí • uloženo v kapilárách válcových keramických nosných tělísek • navinuto na povrchu tělísek a přeskleno keramickým smaltem – vyrábí se s odporem R0 = 100 a 500W
Čidla vrstvová
– vinutí nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosné destičce (substrátu) z korundové keramiky – tlustovrstvá technologie • nanášení Pt vrstvy ve formě pasty na substrát sítotiskem • tepelná stabilizace vrstvy • laserově nastavení požadované hodnoty R0 • rozřezání na jednotlivá čidla a připevnění vývodů – tenkovrstvá technologie • Pt vrstva se nanáší naprašováním nebo napařovaním ve vakuu • široký sortiment hodnot R0 = 100/200/500/1000/2000 • vyrábí se také pro technologii SMT
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Odporové snímače - pt100, pt1000
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Polovodičové snímače – princip, rozdělení
Změna odporu je způsobena teplotní závislostí koncentrace nosičů náboje. Rozdělení: • termistory – negastory (termistor NTC - Negative Temperature Coefficient) – posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient)
• monokrystalické Si snímače (KTYxx)
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
9
11/18/2012
Snímače teploty ve VPM Termistory
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Přehled charakteristik snímačů teploty
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM Dilatační snímače teploty - termostaty – princip, rozdělení
Změna délky nebo objemu látky v reakci na měřenou teplotu
Rozdělení • kovové – tyčové – bimetalový
• kapalinové
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
10
11/18/2012
Snímače teploty ve VPM termostaty
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače teploty ve VPM teplotní snímače pro kapalinové chladiče
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Snímače průtoku ve VPM Turbínkové průtokoměry
Jejich základem je volně otočný rotor s lopatkami. Rotor se vlivem proudění tekutiny otáčí, kdy otáčky jsou úměrné rychlosti proudění tekutiny. Otáčky bývají snímány bezdotykovým indukčním snímačem, kdy výstupem jsou napěťové impulsy, které se dále zpracovávají a vyhodnocují. Nevýhodou je, že je nelze použít u tekutin, které při proudění v potrubí víří, a nejsou doporučovány ani pro tekutiny s velkou viskozitou. Protože turbínkové průtokoměry obsahují pohyblivé části, jsou náchylné na opotřebování a na usazování nečistot.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
11
11/18/2012
Hlídače izolačního stavu ve VPM Hlídače izolačního stavu sledují odpor izolované sítě IT při ochrannému vodiči PE. Pokud poklesne izolační odpor pod nastavenou hodnotu, reaguje tento přístroj přepnutím výstupu a optickou signalizací.
KPM 2012/2013
Snímače ve VPM
Petr Vaculík
Reference Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH 2010 Snímače elektrického proudu s Hallovou sondou www.honeywell.sk/?com=documents&id=91 Current Sensing, http://www.nktechnologies.com/current-sensing.html ABB Current and Voltage Sensors, http://www02.abb.com/global/atabb/atabb104.nsf/0/4b9d658ae545650dc1 257475002cd988/$file/Elektronische_Strom_Spannungswandler.pdf Čidla napětí a proudu, http://homen.vsb.cz/~hav278/TPREP/Cviceni/10_Cidla.pdf Closed Loop Hall Effect Voltage Transducers, http://www.powerguru.org/2012/05/31/closed-loop-hall-effect-voltagetransducers/
děkuji za pozornost
Konstrukce polovodičových měničů
12
