Presné meranie prúdu v obvode je často potrebné na obmedzenie nadprúdu, optimalizáciu výkonu obvodu a riadenie napájacích systémov. Konstruktéri často používajú prúdové transformátory na meranie vysokofrekvenčného striedavého prúdu rôznych priebehov – vrátane spojitého aj nespojitého sínusového, trojuholníkového, lichobežníkového, usmerneného alebo impulzného prúdu – v rozsahu približne 1 až viac než 100 ampérov, pričom zároveň poskytujú galvanické oddelenie.

Toto oddelenie zabraňuje vzniku zemných slučiek a je nevyhnutné v vysokonapäťových obvodoch, aby sa predišlo rušeniu medzi riadiacimi sieťami a silovými obvodmi. Prúdové transformátory sa preto často používajú v riadiacich systémoch spínaných napájacích zdrojov (SMPS) na sledovanie priemerného alebo špičkového prúdu, čo je potrebné pre správnu činnosť a rozhodovanie ochranných obvodov.

Prúdové transformátory dokážu snímať vysoké úrovne prúdu pri menších stratách výkonu než odporové meracie metódy a môžu sa používať aj pri vysokých frekvenciách – nad 1 MHz. Použiteľný frekvenčný rozsah závisí od citlivosti obvodu na meraciu chybu a fázový posun pri danej frekvencii.

V tejto súvislosti označuje pomer závitov pomer sekundárneho vinutia k primárnemu (sek : pri) – teda „vyšší pomer závitov“ znamená väčší počet závitov na sekundárnej strane. Prúdové transformátory sa bežne vyrábajú s rôznymi pomermi závitov, pričom vyšší pomer závitov poskytuje lepší pomer signálu k šumu v riadiacom obvode než odporové meranie prúdu.

Prúdové transformátory vytvárajú v sekundárnom vinutí striedavý prúd úmerný prúdu, ktorý preteká primárnym vinutím. Tento sekundárny prúd sa následne prevádza na nízke napätie pomocou tzv. „záťažového“ (burden) rezistora alebo ukončovacieho rezistora RT, ktoré sa dá jednoducho zmerať v obvode.

Bežný komerčne dostupný prúdový transformátor má jednozávitové primárne vinutie a viaczávitové sekundárne vinutie. Striedavý prúd, ktorý preteká primárnym vinutím, vytvára magnetické pole, ktoré sa prenáša do sekundárneho vinutia. Toto pole vyvolá napätie na sekundárnom vinutí a na odpore RT. Pri jednozávitovom primárnom vinutí platí, že úbytok napätia _Vout na odpore RT je úmerný primárnemu prúdu I_pri podľa vzorca:

V_out = (I_pri × RT) / N_sec

kde N_sec je počet závitov sekundárneho vinutia.

Z toho vyplýva, že voľba odporu RT je kľúčová pre nastavenie správneho maximálneho výstupného napätia, ktoré zodpovedá maximálnemu očakávanému primárnemu prúdu.

Obrázok 1. Typická aplikačná schéma Zdroj: Coilcraft, dokument „Doc1288 – Current Sensor Selection“

Resetovanie jadra

Dióda zapojená v sérii so sekundárnym vinutím prúdového transformátora nastavuje magnetický tok v jadre na nulu po každom cykle. Toto riešenie sa odporúča pri aplikáciách s vysokým pracovným činiteľom (duty cycle). Dióda vytvára napätie na sekundárnej strane, ktoré resetuje magnetické jadro transformátora, pričom zároveň izoluje toto napätie od riadiaceho obvodu.

Na zabránenie prepätiu na sekundárnom vinutí možno použiť aj Zenerovu diódu. Ak by dióda na resetovanie jadra nebola použitá, magnetický tok by sa v každom cykle kumuloval, čo by viedlo k nasýteniu jadra. V dôsledku toho by sa meraný prúd javil ako menší, než v skutočnosti je, a regulátor by sa pokúsil zvýšiť prúd ešte viac, čo by mohlo viesť až k zničeniu obvodu.

Presnosť prúdového transformátora

Presnosť prúdových transformátorov sa vyjadruje ako percentuálna chyba %_error, ktorá udáva pokles (deformáciu) prúdovej vlny pozorovanej na sekundárnej strane. Hodnota tejto chyby závisí od vlastností transformátora a prevádzkových podmienok, preto nejde o pevnú (konštantnú) hodnotu pre konkrétny typ transformátora. Pri prúdovom impulze alebo nábehu (ramp) sa percentuálna chyba počíta podľa vzorca:

%_error = ( I max / I sec ) × 100

kde:

• I_max je maximálna hodnota prúdu na konci impulzu,
• I_sec je sekundárny magnetizačný prúd, daný vzťahom I_sec = I_pri / N_sec 

Tento výpočet predpokladá nominálnu hodnotu magnetizačnej indukčnosti sekundáru, ktorá má typicky toleranciu ±20 %. Z tohto dôvodu sa hodnota %error často uvádza ako rozsah alebo najhorší prípad (worst-case) pri danom primárnom prúde.

Vyváženie návrhových požiadaviek

Aj pri najlepšom návrhu fyzikálne zákony určujú praktické hranice toho, čo je možné dosiahnuť. Pre konštruktérov to znamená, že často musia hľadať kompromis medzi veľkosťou súčiastok, prúdovou záťažou a účinnosťou. Optimalizácia návrhu teda spočíva v rovnováhe medzi týmito často protichodnými parametrami tak, aby boli splnené všetky ciele a zároveň sa dosiahlo čo najlepšie riešenie pre každý z kritických požiadavkov.

Komerčne dostupné (off-the-shelf) prúdové transformátory sa zvyčajne ponúkajú v rôznych pomeroch závitov pre každý typ púzdra. Vplyvy výberu nižšieho alebo vyššieho pomeru závitov sú zhrnuté v tabuľke 1, ktorá predpokladá, že všetky možnosti v danej sérii majú rovnakú veľkosť púzdra. Maximálny menovitý snímaný prúd je pritom rovnaký pre všetky pomery závitov v rámci jednej série. Táto analýza tiež predpokladá, že hodnota RT je zvolená tak, aby platilo:

1V výstup = 1A vstup

pre zvolený pomer závitov.

Takéto nastavenie poskytuje najlepšie možné frekvenčné pásmo, pretože dochádza k zhode impedancií medzi zdrojom a záťažou. Vyšší pomer závitov v rovnakom púzdre znamená:

• vyšší odpor sekundárneho vinutia aj RT, čo znižuje účinnosť,
• no zároveň podľa rovnice pre Vout platí, že vyšší pomer závitov vyžaduje menší primárny magnetizačný prúd pre rovnaké výstupné napätie, čo účinnosť zlepšuje.

Vyšší počet závitov na sekundári tiež znamená nižšiu hustotu magnetického toku, čo vedie k nižším stratám v jadre. Na druhej strane však vyššia rozptylová indukčnosť pri väčšom počte závitov môže spôsobiť väčšie straty v jadre a nižšiu účinnosť. Inými slovami: návrh prúdového transformátora je hľadanie rovnováhy medzi stratami, citlivosťou, pásmom a účinnosťou – žiadna voľba nie je ideálna pre všetky situácie.

Pri meraní vysokých prúdov musí mať jadro transformátora dostatočne vysokú saturáciu magnetického toku, aby sa zabránilo jeho nasýteniu. To si vyžaduje dostatočne veľké jadro a primeraný počet závitov, čo však ide proti požiadavke na čo najmenšie rozmery súčiastky.

Dobre navrhnuté prúdové transformátory preto hľadajú rovnováhu medzi čo najmenšou veľkosťou a najvyššou možnou účinnosťou, pričom sa musia vyhnúť nasýteniu jadra pri plánovanom prevádzkovom prúde a frekvencii. Typická kombinácia nízkeho výstupného napätia (Vout) a vysokého počtu závitov sekundáru vedie k nízkej hustote magnetického toku, a preto nasýtenie jadra zvyčajne nie je problémom pri bežne dostupných (off-the-shelf) prúdových transformátoroch. Vyšší pomer závitov zároveň prináša vyššiu presnosť merania a vytvára nižšiu hustotu magnetického toku, čo pomáha zabrániť nasýteniu jadra, znižuje straty a tým zlepšuje celkovú účinnosť transformátora.

Tabuľka 1. Vplyv pomeru závitov prúdového transformátora*

* Predpokladá sa rovnaká veľkosť púzdra pri komerčne dostupnom type transformátora.

Príklady použitia prúdových transformátorov

Aplikačná poznámka spoločnosti Analog Devices – LTC3706 (pozri stranu 15) porovnáva použitie prúdových transformátorov s odporovými meracími metódami pri meraní vysokých prúdov s cieľom dosiahnuť čo najvyššiu účinnosť. Na obrázku 3d v tomto článku (v texte uvedený ako Obrázok 1 nižšie) je znázornené meranie prúdu v sekundárnom vinutí izolačného transformátora pomocou prúdového transformátora, ktorý spolupracuje s LTC3706 – sekundárnym synchronným riadiacim obvodom typu Forward Controller.

Obrázok 1. Prúdový transformátor: najvyššia účinnosť, schopnosť dosahovať vysoké výstupné napätie Zdroj: Analog Devices, Obrázok 3D, strana 16

Referenčný návrh Texas Instruments TIDM-02009

Referenčný návrh TIDM-02009 od spoločnosti Texas Instruments, ktorý bol navrhnutý podľa bezpečnostného konceptu ASIL D, predstavuje vysokorýchlostný obojsmerný DC-DC menič určený pre hybridné a elektrické vozidlá (HEV/EV). Tento návrh používa dva prúdové transformátory Coilcraft CST2010-100L. Menič je skonštruovaný tak, že:

• v smere dopredu (forward) nabíja nízkonapäťovú 12 V batériu z vysokonapäťovej zbernice 400 / 600 V,
• v opačnom smere (reverse) slúži na prednabitie (pre-charge) DC zbernicového kondenzátora.

DC-DC menič využíva riadiacu techniku Peak Current Mode Control (PCMC) – teda riadenie podľa špičkovej hodnoty prúdu. Prúdový transformátor Coilcraft CST2010-100L má pomer závitov 1 : 100 a používa sa na snímanie prúdu primárnej indukčnosti, ktoré je nevyhnutné pre správnu činnosť riadenia PCMC.

Výber prúdového transformátora

Pri výbere vhodného komerčne dostupného (off-the-shelf) prúdového transformátora pre konkrétnu aplikáciu je potrebné najprv určiť:

• Maximálny prúd, ktorý sa bude merať
• Frekvenciu prúdovej vlny, ktorá sa bude merať
• Pracovný činiteľ (duty cycle) prúdovej vlny
• Požadované výstupné napätie

Záver

Výber najvhodnejšieho komerčne dostupného prúdového transformátora na sledovanie prúdu v napájacom zdroji prináša určité výzvy. Tieto výzvy však možno zvládnuť, ak konštruktér pochopí kompromisy medzi veľkosťou súčiastky, účinnosťou a presnosťou merania. Proces výberu je dnes výrazne zjednodušený vďaka online nástrojom, ako je napríklad Coilcraft Current Transformer Finder, ktorý pomáha rýchlo nájsť vhodný typ transformátora podľa požiadaviek aplikácie.

Použitá literatúra:

1. Bob Mammano, Current Sensing Solutions for Power Supply Designers, Topic 1, SEM-1200, 1997, SLUP114
2. Texas Instruments, UCC28070 Interleaving Continuous Conduction Mode
3. Coilcraft, Document 1723-3

---

---

---