Akım Sensörleri: Open/Close Loop, Fluxgate - Fırat DEVECİ
3.452 Kişi Okudu
Güç elektroniğinde donanımsal ya da yazılımsal kontrol günümüzde firmaların know-how’larının temellerini oluşturur. Bu tecrübe ve sonrasındaki kontrol ne kadar başarılı ise tasarımcı ve firması için rakipleri karşısında avantaj yaratacaktır. Sistemi yöneten donanımsal ya da yazılımsal kontrol; sistemde oluşan bozucu değişkenlere karşı, sistemin stabil şekilde çalışmasını sağlayacak değişkenleri uygulayan metotlar bütünü denebilir. İyi bir kontrolün temelinde ise, kontrol edilen sistemin parametrelerinin iyi ölçümü gelmektedir.
Büyük ya da küçük tüm elektriksel sistemlerde ölçülmesi gereken temel fiziksel büyüklükler akım ve gerilim olarak gösterilebilir. Esasen güç elektroniği içerisinde yaptığımız işlem bu akım ve gerilim değerlerini kontrollü bir şekilde birbirleri arasında dönüştürmektir. Bu değerlere baktığımızda, gerilim büyüklüğünü ölçüp işlemenin, akıma nazaran oldukça kolay yöntemlerle gerçekleştirmenin mümkün olduğu görülecektir. Buna rağmen akım değerini okumanın direkt bir yöntemi bulunmamaktadır ve akımın gösterdiği etkiyi (elektron akışı) ölçmek için onun çevresel etkilerinden faydalanılmaktadır. Bu yöntemlerden en kolayı, ohm yasasından faydalanıp; formülü uyarınca ilgili şönt direnç üzerine düşen gerilimi ölçmektir. Bu metot izolasyon gerektirmeyen ve düşük güçlü sistemlerde uygulansa da akım değerlerinin çok fazla arttığı ya da izolasyon gerektiren uygulamalarda tercih edilemez.
Önümüze yukarıda saydığımız gibi bir durum çıktığında kullanmamız gereken tek bir seçenek kalır; akım trafoları!
Akım Trafoları Tam Olarak Nedir?
Akım trafoları, bildiğimiz trafolardan farksızdırlar. Yalnızca çıkışları gerilim kaynağı olarak değil akım kaynağı olarak görülmelidirler. Bir akım trafosunun iç yapısı aşağıdaki gibidir. Akım trafolarının primeri ana akımı taşıyan kablodur ve genellikle 1 turdur. Sekonder kısmı ise 1000-2000 gibi büyük rakamda turlardan oluşur ve trafoların klasik denklemi ile akım değeri sekonder turunun sayısı oranında azalır. Örneğin 1:2000 oranlı bir akım trafosunun primerinden 2000A geçtiğinde sekonderinden 1A çıkış sağlayacaktır, biz bu akımı da 1ohm gibi bir direnç üzerine yönlendirerek 1V elde edip, 1W gibi bir kayıp ile +2000A ile -2000A aralığındaki akımı ölçebiliriz. Akım trafosu ile ölçeceğimiz akımın mutlaka AC olması gerekmektedir. Bu nedenle klasik akım trafoları 50/60Hz iletim hatlarında ya da askeri sahada ise 400/800/1kHz AC akım sinyallerinin olduğu akımların ölçülmesinde kullanılır. Ayrıca bu tür akım sensörlerinin doğrulukları oldukça yüksek olabilmektedir. Bu nedenle iletim hatlarındaki enerji ölçümlerinde birinci tercih nedenlerinden birisi budur. Yalnız DC akımların ölçümü, akım trafosu ile mümkün olamamaktadır. DC akım ölçümü işin içine girdiğinde hall effect ya da benzeri ölçüm teknikleriyle akım ölçümü yapmak gerekmektedir.
DC Akım Ölçüm Trafoları Nasıl Çalışır?
DC akım trafoları fiziksel olarak AC akım trafolarına benzerler. Buradaki asıl fark, AC akım trafolarındaki gibi akım/akım dönüşümünden faydalanmak değil, akımın oluşturduğu manyetik akı yoğunluğunsan yola çıkarak ölçüm yapmaktır. Bunun için kullanılan en yaygın araç ise manyetik akıyı ölçmede kullanılan hall effect sensörlerden faydalanmaktır. Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi DC akım sensörleri, geçen akımın oluşturduğu manyetik akının ölçümünden yararlanmaktadır. Kısaca anlatmak gerekirse; Ip ile gösterilen akım, manyetik malzemeden üretilmiş nüve üzerinde manyetik akı oluşturur. Bu akının yoğunluğu, Ip ile gösterilen akım ile doğru orantılıdır. Hall effect sensör ile ölçülen bu akı yoğunluğu ise belirli devrelerle, istediğimiz gerilim aralığına indirgenerek ölçüm işlemi sağlanmış olur. Yalnız her hall effect ya da benzeri ölçüm metodunda olduğu gibi burada da doğruluk sapması yaşanmaktadır. Bunun nedenlerinden biri manyetik alan çizgilerinin, yukarıdaki şekilden de görülebileceği üzere, tümümün hall effect sensör üzerinden geçmeyişidir. Bu özellikle kritik öneme sahip ölçümlerde sorunlar oluşturabilir.
Akım ölçümünün bu şekilde yapılmasında ortaya çıkan en büyük problemlerden biri ise sıcaklığa göre değişen nüve karakteristiği, buna bağlı olarak uygulanan akım frekansına göre sensör çıktılarının değişimi olarak gösterilebilir. Buna benzer sorunları aşmak için basit ve ucuz sistemlerden karmaşık ve pahalı sistemlere akım sensörleri; open loop, close loop ve fluxgate akım sensörleri şeklinde üç ana başlık altında toplanırlar.
Open Loop Akım Trafoları
Open loop akım trafoları en basit yapıda ve ucuz olan sensörlerin başında gelir. Bu yapıda manyetik akı şiddeti hall effect sensör ile ölçülüp daha sonrasında bir buffer’dan geçirilerek gerilim ya da akım çıktısı olarak verilir. Open loop akım trafoları tek bir kaynaktan beslenenleri olduğu gibi çift kaynaktan beslenenleri ve ölçüm aralığı olarak 0.5A ile 10kA aralığında olanları bulunabilir. Open loop akım trafolarının herhangi bir feedback sistemi bulunmadığından sistemin kör noktası oluşabilmektedir ve bu metodun en büyük sorunu artık mıknatıslanmadır.
Bunu bir örnekle açıklamak gerekirse; elimizde demir bir çubuğa sarılı bir tel olsun, telden akım geçirdiğimizde demir çubuk elektromıknatıs haline gelir. Akım kesildiğinde dahi demir içerisinde bulunan kutuplar bir yöne doğru yöneldiğinden, mıknatıslık kalıcı olmaya başlar. Bu durumun aynısı akım trafoları için de geçerlidir, dolayısı ile herhangi bir feedback mekanizması olmayan open loop akım sensörleri bu kalıcı mıknatıslanmayı ve dolayısı ile akıyı okurlar ve sanki sensörden akım geçiyormuş gibi çıkış verebilirler. Üretim teknolojisindeki basitlikten dolayı, fiyatı ucuz olan open loop sensörlerin özellike kontrol ile ilgili bölümlerde çok tercih edilmemesinin yegane sebeplerinden birisi budur.
Ayrıca trafonun sıcaklığa göre B/H eğrisindeki değişimin az olması ya da trafonun doyuma ulaşmaması için, trafo malzemesi olarak çelik ve bunun alaşımı malzemeler kullanılır. Dolayısı ile yüksek frekanslı uygulamalarda, eddy kayıplarından dolayı, sensörün ısınması durumu dikkatle izlenmelidir.
Close Loop Akım Trafoları
Close loop akım trafolarının çok fazla metodu olsa da en basit şekli aşağıda görülebileceği gibi bir hall effect sensör ve trafoya sarılmış ek bir sargı ile oluşturulmaktadır. Bu metotta, open loop çalışmadan farklı olarak, trafoda sürekli sıfır akı oluşacak şekilde primer akımı yönüne ters yöndeki akım sekonder sargısından akıtılarak denge kurulmaya çalışılır. Bunun için hall effect sensör sıfıra yakın manyetik akıyı hassas bir şekilde ölçecek şekilde tasarlanır ve bir fark yükselteci ile çıkış, akıma dönüştürülerek ek sargıdan geçirilir. Oluşturulan bu akım bizim ölçüm akımımız olarak karşımıza çıkar. Bu akımın önüne koyacağımız sıcaklığa karşı düşük toleranslı bir direnç üzerinden geçirilerek gerilim çıkışı elde edilebilir. Bu gerilim ile primerden geçen akım arasında doğru orantı oluşacağından ölçümlerimizi bu şekilde almamız uygun olacaktır. Bu metodu, sensör üreticisi kendi içinde de kullanarak, gerilim çıkışlı sensörler yapabilmektedir.
Buradaki en önemli nokta, çalışma bölgesinin B/H eğrisinde 0 noktasında olmasıdır. Dolayısı ile kalıcı mıknatıslanma, B/H eğrisinin sıcaklıkla kayması vb. gibi durumlar ölçümde etkili olmazlar ve yüksek doğrulukta bir ölçüm sağlanmış olur. Bunun yanında ek sargının turu oranında ölçülecek akım değeri küçültülerek, AC akım trafolarındaki oranlar yakalanabilmektedir.
Yukarıda LEM firmasının LA305-S adlı sensörünün iç ve dış yapılarını ayrıntılı şekilde görebilirsiniz. Fotoğrafın üzerine basıp dikkatlice incelediğimizde 2500 turluk trafo sargılarını, nüvenin tam ortasındaki hall effect sensörü, akım kaynağı devresini ve akım kaynağı yaratmak için kullanılan büyük yarı iletkenleri görebilirsiniz. Close loop akım sensörlerinin kullanımında dikkat edilmesi gereken en önemli konu RMS akımın sensörün belirlenen değerinin üzerinde çok uzun süreler kullanılmamasıdır. Bu şekilde bir kullanım, ek sargıdan geçen akımı nominal değerin üzerine çıkaracağından, hem bu ek sargı hem de bu ek sargıya akım sağlayan devresel yapı ısınacağından, uzun süreli kullanımlarda sensörün hem doğruluktan sapma hem de bozulma riski artacaktır.
Fluxgate Akım Trafoları
Aşağıda genel hatları görülebilecek fluxgate akım trafolarının yapısı, close loop akım trafolarına benzese de en önemli fark hall effect yerie flux sensör konulmasıdır. Bu metodun kullanılması, tepki hızı ve doğruluğu yüksek ölçüm yapılmasına olanak sağlar. Fluxgate akım sensörlerinde de asıl amaç trafodaki akının sıfırlanması şeklinde kapalı çevrim bir sisteme sahip olmak ve dolayısı ile ölçülmesi gereken akım ile çıkış akım ya da gerilimi arasında ilişki kurmaktır.
Sensörün çalışma mantığını ele alırsak; fluxgate adı verilen ve trafo nüvesine paralel konan, çok yüksek doyum oranına sahip sargıya kare dalga şeklinde yüksek frekanslı akım uygulanır. Bu akımın terse döndüğü noktalarda, sargı uçları arasında gerilim değerleri aşağıdaki gibi hafif yükselerek ortalamada sıfır olacak şekilde çıkmaktadır. Trafo içerisinden akım geçirildiğinde ise bu gerilim, akımın uygulandığı noktaya göre aşağı ya da yukarı yönlü bir offset değeri alır. Trafonun içerisinde bulunan devre ise bu offset’i sıfırlayacak şekilde ana sargıya ters akım uygulayarak, trafodaki akıyı sıfıra yaklaştırmaya çalışır. Ana sargıdan akan bu akım ise daha sonrasında sensör çıktısı olarak ya akım ya da direnç üzerine düşürülerek gerilim olarak kullanıcıya sunulur.
Aşağıda LEM firmasının CKSR-6 adlı sensörünün iç yapısını görebilirsiniz. Fotoğrafa dikkatli baktığınızda, dağıtılmamış versiyonda primer akımının geçebileceği 4 ayrı teli görebilirsiniz. Bu telleri kendi arasında seri ya da paralel bağlayarak düşük akımları ölçebilmek mümkündür. Bunun yanında sağ üstte Fluxgate, ortada akı sıfırlama sargısını ve sol altta ise trafo nüvesini görebilirsiniz. Fluxgate dahil close loop sistemlerde akı daima sıfır noktasında çalıştığından, nüvenin çok özel olmasına gerek olmasa da, fluxgate’in sahip olduğu karmaşıklık fiyatının diğerlerinden daha yüksek olmasına neden olmaktadır.
Doğru Akım Trafosunu Doğru Yerde Kullanmak
Akım trafolarının yukarıda da belirttiğimiz gibi kullanım yerleri, yapacağımız kontrolün ya da ölçümün kritikliğine göre değişir. Örneğin iyi bir akım kontrolünün ya da ölçüm hassasiyetinin iyi olması istendiği bir noktada close loop ya da fluxgate benzeri bir yapı tercih etmek daha avantajlı olacaktır. AC akım sinyaline sahip bir noktada, koruma amaçlı ise open loop benzeri bir akım sensörü, fiyat düşürme adına, tercih nedeni olabilir. Tek yöne akıtılan bir akımı ölçmek için her ne kadar open loop sensörler tercih edilmez desek de gelişen teknoloji ile, kalıcı mıknatıslık özelliği azaltılmış sensörleri günümüzde bulmak mümkündür. DC akım trafoları barındırdıkları iç devre ile hem ileri hem de geri yöndeki akımı ölçme yetenekleri olsa da özellikle dijital işlemlerde, tek yönlü akım ölçümünde bu özellik çözünürlük kaybı getireceğinden, firmalar yeni nesil sensörlerinde, referans (offset) ucunu dışarı çıkararak, bunu kaydırmaya olanak sağlamışlardır. Yukarıdaki şekilden de görülebileceği üzere bu özellik, çözünürlük üzerinde oldukça iyi bir katkı sağlamaktadır.
Akım trafoları konusunda LEM firması dünya lideri bir firma olsa da günümüzde Tamura gibi bir çok üretici, LEM’in hakim olduğu pazardan pay almaya başlamışlardır. Bunun yanında Çinli bir çok firma özellikle open ve close loop konusunda uygun fiyatlı ürünlerini piyasaya sunmuşlardır. Kritik uygulamalarda ben hâlâ LEM markasını vazgeçilmez görsem de, arkadan gelen firmaların yavaş yavaş, özellikle de fiyat konusunda, LEM’e baskı oluşturduğunu söyleyebiliriz. Bu konuda elbette son söz, biz tasarımcılarda olacaktır.
A.Kadir ÇİMEN dedi ki:
Bu güzel bilgilerden dolayı çok teşekkürler.
9 Ağustos 2017, 05:37
Gerçekten detaylı ve kapsamlı bir yazı olmuş. Teşekkürler.
Anlaşılır ve yeterince ayrıntılı bir yazı olmuş. Tüm yazılarınızı ilgi ile takip ediyorum.
Piaysada ulaşabileceğim ürünlerle 25uA çözünürlük, %0.1 hata oranı ve 0-3 Amper Aralıkta DC akım ölçümü nasıl yapabilirim?
uA mertebelerinde akımlar ölçmek istiyorsanız mutlaka şönt direnç çözümlerine ya da benzeri temaslı çözümlere başvurmalısınız. Hall effect sensörler ile uA akımlar ölçmek oldukça zordur, oluşacak manyetik alan belki de dünyanın kendi manyetik alanından daha küçük bile olabilir.
Hayri Karakuzu dedi ki:
23 Ocak 2020, 08:46
Gerçekten sektörün içinden uygulamaya yönelik bilgiler.
Terorinin sahada hayat bulmuş biçimi.
Görüşmek dileği ile, başarılarınızın devamını dilerim.
ESP8266 Wi-Fi Module: Kullanım 41.024 views
ESP8266 Wi-Fi Module: Giriş 32.277 views
Tarihi Haberleşme Metodu: Modbus RTU 30.698 views
BLDC Motorlar: Geleceğin Hareket Kaynağı 30.380 views
Datasheet Okumak: Mosfetler (Part 1) 15.122 views
Programlar 14.791 views
Kitaplar 14.187 views
STM32 USB HID Uygulaması 13.277 views
Dikkat: High Side Gate Driver!! 12.349 views
USB to RS232/RS485/TTL Çevirici: USB2RSx 12.189 views
Petit Modbus: Küçük ama Dev! için Tariq Ryklief
Tarihi Haberleşme Metodu: Modbus RTU için Tariq Ryklief
Akıllardaki Soru: Eski Mi Yoksa Yeni Entegreler Mi? için Volkan Süel
Akıllardaki Soru: Eski Mi Yoksa Yeni Entegreler Mi? için Fırat DEVECİ