Áramerősség mérés széles tartományon autoskálázási technológiával
Mérési tartomány 50 nA-től 50 A-ig
Különböző DC vagy akkumulátor táplálású eszközök és komponenseik fejlesztése és tesztelése során a működési áramok vizsgálata és felügyelete egy különösen fontos téma. Mindenki aki az árammérést összetett teljesítményfelügyeleti rendszeren, sleep móddal vagy több féle működési móddal ellátott eszközön kell, hogy végezze, szembesül a széles mérési tartománnyal, amely a hagyományos méréstechnológia határait feszegeti. Az autosklálázás új lehetőségeket kínál, de új kihívásokat is.
Dinamikus autosklálázás mérés közben
A nagyfelbontású AD átalakítók melyeket ma a méréstechnikában használnak önmagában széles tartományt képesek lefedni egy rögzített tartományú kialakítás esetén is. Ennek ellenére a érzékelők, a vizsgált jelek és fizikai folyamatok gyakran olyan széles tartományt ölelnek fel, hogy egy illeszthető skála (például egy előerősítő segítségével) válik szükségessé a technológia előnyeinek legjobb kihasználása érdekében.
Amíg a klasszikus módszer esetében a skála rögzített volt a mérés során, addig az autosklálázási módszer lehetővé teszi a mérés közbeni dinamikus skálaillesztést. Ez hasznos, ha a mért áram tartománya előre nem ismert, vagy ha a vizsgálat során a teljes dinamikus tartományt rögzíteni kell.
Ha valaki az AD átalakítónál (pl.: 24 bit) magasabb felbontást kíván elérni, dinamikusan növelheti az erősítést feszültségmérés esetében. Söntellenállásos áramerősség mérés esetén azonban ez a feladat összetettebb: a sönt ellenállás nagyságát mérés közben kell módosítani anélkül, hogy megszakítaná a mérőáramkört vagy hátrányosan befolyásolná a folyamatos mérést az átmeneti területen.
Jellemző alkalmazás például egy folyamatos mérés, amely egy teljes indítási ciklust vizsgál: az alvó állapot apró szivárgási áramaitól, az indítási áramtüskéken át a nagyteljesítményű munkapontokban, illetve vissza alvó állapotig. Mindemellett a mérőrendszer nem lehet visszaható, vagyis nem befolyásolhatja a vizsgált darabot, illetve optimális adatfelbontással és pontossággal kell rendelkeznie minden vizsgált munkapontban. Erre természetesen nagy szükség van az autóiparban, például azon vizsgálatok során, amikor számos komponens, vezérlőegység és egyéb fedélzeti elektronika kölcsönhatásait vizsgálják. Mindemellett az akkumulátorral és vezeték nélküli technológiával felszerelt, illetve vezeték nélkül tölthető eszközök fejlesztése és tesztelése során is hasonló feladatok merülhetnek fel.
Mi érhető el autosklálázást alkalmazó áramerősség méréssel?
Hol?
- Ahol kiemelkedően dinamikus tartomány szükséges (mérés maximális teljesítményen vs. alvó állapot)
- Indítás vizsgálat komponenseken és rendszereken
- Meghatározott munkapontokban
- Periodikus jelek esetén korlátozottan használható
Hogyan?
- Dinamikus skálaváltással mérés közben
- Folyamatos adatgyűjtéssel
- Nem visszaható: nem okoz zavart a vizsgált áramkörben
Áramerősség mérés: különleges kihívás
Áramerősség méréskor a söntellenállás megválasztása egy kulcsfontosságú döntést és egyben korlátot jelent. Amíg a ellenállásának kellően nagynak kell lennie ahhoz, hogy a feszültségjelet ne nyomja el a zaj, illetve a zavarjelek, addig a felvett teljesítmény, amely az ellenállás négyzetével arányos, komoly korlátokat állít. A maximális mért áramot 50 A-re választva a söntellenállás nem lehet nagyobb 2 mOhm-nál, mert már ez esetben is 5 W energiát von el. Ebben a munkapontban szűk 100 mV feszültségjelet szolgáltat, amely még jól kezelhető és tisztán feldolgozható megfelelő előerősítőt követően, például egy 1 V-os, 24 bites AD átalakítóval. Mindemellett, ha ezzel egyidőben 50 nA-os felbontás is szükséges, - például szivárgási áramok mérésére - egyértelművé válik, hogy a technológia határait meghaladja a feladat. A jel 50nA × 2mOhm = 0.1 nV nagyságú, amelyet nem lehetséges elkülöníteni a zajtól és a parazita termofeszültségektől akkor sem, ha "felfújjuk" azt egy kiegészítő ezerszeres erősítéssel 0.1 µV-ra.(1a Ábra). Emiatt az erősítést magának a söntellenállásnak kell megvalósítania.
Ez egy második, sorba kötött sönttel valósítható meg (1b Ábra): ennek az ellenállása 2 Ohm, vagyis a sönterősítés az ezerszeresére növekedett, de csak kis áramok esetén aktív. Amint az áram nagysága túlterhelés veszélyét veti fel, az ellenállást automatikusan kikapcsolja a rendszer egy "bypass" segítségével.
A 1c ábra bemutatja, hogy ezzel a kombinációval hogyan érhető el a teljes mérési tartományon a 30 bit dinamikus felbontás, vagyis a minimum felbontás és a teljes mérési tartomány közti 10^9 nagyságrendbeli különbség. Összehasonlításképpen, ha ez az eszköz egy mérleg lenne, akkor lehetővé tenné egy 2 mg tömegű szúnyog, majd egy 2 tonnás elefánt megmérését is.
Így a működési alapelv már körvonalazódik:
Ezen imc mérőkártya szívét az áram útja határozza meg, amelyben egy 2 mOhm alacsony impedanciájú söntellenállás mindig aktív, amely a maximális áramerősség mérésére szolgál. A második, 2 Ohmos nagy impedanciájú sorba kapcsolt ellenállás tisztán képes befogni a legkisebb áramokat, de gyorskapcsolók segítségével dinamikusan kikapcsolódik az áramkörből, amint a mért áram meghaladja a 100 mA körül meghatározott tartományt. A feszültséget mindkét ellenálláson 30 kS/s-es (kilo minta per másodperc) 24-bites ellenálláshoz megfelelően választott, processzor által skálázott és kalibrált AD átalakítón mérjük. A mért adatot CAN buszon, 1 Hz-től 1 kHz-ig állítható mintavételi frekvenciával továbbítja a modul. Ezek az adatok a 30 kHz-es belső mintavételezésből származnak.
Kapcsolási logika:
A sönt kapcsolása sokkal gyorsabban kell történjen, mint amennyire azt az adott mérés szükségessé teszi: a hirtelen növekvő áramnak azonnal rövidre kell zárnia a nagy impedanciájú söntöt, nem csak az ellenállás védelme érdekében hanem azért, hogy elkerüljük a tápfeszültség tüskét a terhelt áramkörben. Ez a tranziens feszültségesés befolyásolná vagy akár le is választhatja a vizsgált komponenseket.
Ezért a sönt kikapcsolását egy gyors komparátor felügyeli, de a visszakapcsolást csak késleltetéssel engedélyezi. (2. Ábra). A kapcsolási tartománnyal (hiszterézis), a gyors aktiválás (< 1 µs) ideiglenes hiszterézisével és a lassabb (< 1 ms) kikapcsolással a "bypass" biztosítja a biztonságos és stabil állapotátvitelt.
Ezáltal lehetséges 10 A/µs áram növekedése közben (túlfeszültség, bekapcsolási áramok) is visszahatásmentes kapcsolást megvalósítani, amely a vizsgált áramkör feszültségesését 400 mV-ra korlátozza. A söntök közötti kondenzátor szintén a feszültség ellaposítását segíti a komparátor reakciója előtti átmeneti zónában (3. Ábra). Ez a koncepció emiatt alkalmas erősen dinamikus viselkedésű eszközök vizsgálatára is, mint például kapcsolóüzemű tápegység, LED vezérlők, stb.
A hiszterézis holtideje és a párhuzamos mérési utak beállási ideje (AD átalakító), melyeket ki kell maszkolni, lekorlátozzák az értelmes mérési tartományt 100 Hz-re. Emellett lehetséges az autosklálázás kikapcsolása, így 1 kHz mintavételi frekvencia érhető el.
A gyors és megfordítható MOSFET alapú elektronikus biztosíték minden esetben garantálja a biztonságot és leválasztja az áram útját túlterhelés esetén.
Általánosan használható CAN modul:
Ez az autoskálázási koncepció megvalósult egy általánosan használható CAN busz interfészes mérőmodulként laboratóriumi és tesztpadi felhasználásra. Az imc CANSAS-IHR erős alumínium házában (4. Ábra) két független, elektronikusan leválasztott autoskálázáson alapuló mérőkör található, amelyek lehetővé teszik a vizsgált kör áramerősségének mérését maximum 18 VDC tápfeszültségig. A szigetelésnek köszönhetően a mérőpont bárhova helyezhető: táp- vagy földvezető (high side / low side), rész- vagy teljes áramokhoz.
A digitális jelfeldolgozás és szabályzás mellett a rendszer aprólékosan kidolgozott hőtani felépítése is kiemelkedően fontos. A hatalmas áramokat óvatosan kell végigvezetni a NYÁK komponensein, melyek közül a csatlakozók, teljesítmény söntök és FET kapcsolók megfelelő hűtést igényelnek. A precíziós sönt az egyik legkritikusabb pont ebben az esetben: szimmetrikus hőfluxusnak kell biztosítania, hogy a parazita hőelemek ne okozzanak nagyobb hibát és driftet a csatlakozási pontokban, továbbá az önmelegedés hatásait is minimalizálnia kell.
imc CANSAS-IHR nagyfelbontású áramerősség mérőmodul
- Szigetelt áramerősség mérés söntellenállásokon
- Tesztelt áramkör tápfeszültsége: 18 VDC-ig
- 2 söntellenállás dinamikus kapcsolása az áramerősség függvényében
- Autóskálázott mérés
- Eredő felbontás 30 bit: 50 nA-től 50 A-ig
- Adatgyűjtés mellett számított adatok: átlag, minimum, maximum értékek
- Kimeneti adatsebesség állítható: 1 Hz / 10 Hz / 100 Hz, belső adatgyűjtés/jelfeldolgozás 30 kHz-es
- Rögzített mérési tartománnyal 1 kHz mintavételi frekvencia (50 A autoskálázás nélkül)
Mikor hasznos az autoskálázás?
Az autoskálázási módszer az alábbiakban bemutatásra kerülő esetekben lehet hasznos, amelyek során különböző munkapontok közötti átmenet következik be, illetve amelyek közül egyikben meg is marad a rendszer (5. Ábra). Ekkor vehető haszna annak a ténynek, hogy a kis jeleket optimálisan, alacsony zajjal és megfelelő erősítéssel dolgozza fel, ezzel eredményezve egy valós erősítést, használható mérési felbontáson.
Mindemellett az autoskálázás nem egy általános megoldás, amelyet bármely mérés esetén előnyös. Periodikus jelek esetén, amelyeket spektrum analízisnek kell alávetni pl.: FFT számítással, a következőket kell észben tartani: ha a jeltartomány belső része - pl.: a finomtartomány, kis amplitúdókkal - ideálisan meghatározható az adaptív erősítéssel (pl.: g =1000), akkor ez az alacsony zajszint is csak a teljes időtartamnak ebben a kis részében érvényes, vagyis 1/1000 részben (6. Ábra). Hatása az FFT háttérzajára (Noise floor) még mindig elhanyagolható, ugyanis azt még mindig az alacsonyabb felbontású tartomány jel-zaj (SNR) viszonya határozza meg.
Egy további fontos előfeltétele az autoskálázásnak az, hogy a finom vagy nagyfelbontású mérési tartomány null-szimmetrikus legyen. Vagyis a feldolgozni szánt teljes jelnek a jeltartomány egypólusú vagy bipoláris nullpontja körül kell elhelyezkednie, mert nem AC illesztéssel foglalkozunk, hanem illesztett lineáris előerősítéssel. Bár ez az eset áll fenn áramerősség mérés esetén, de ez nem érvényes számos egyéb alkalmazásra, mint amilyen például a nyúlásmérő bélyeges hídmérés, ugyanis akkor a jelet befolyásolja egy nagy kezdeti ofszet, amelyet kompenzálni kell.
