SK842018A3 - Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi - Google Patents

Abstract

Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi pozostáva zo spínaného meniča (1), tvarovacieho obvodu (2), diferenciálneho zosilňovača (3), nízkofrekvenčného filtra (4), bloku (5) napäťového výstupu a vlastného napájacieho zdroja (6). Zapojenie sa vyznačuje tým, že prúd pretekajúci indukčnosťou je možné určiť priamo z úbytku napätia na danej indukčnosti, vďaka čomu nie je nutné použiť ďalší merací prvok. Navyše zapojenie obsahuje vlastný napájací zdroj (6), vytvárajúci virtuálnu zem (V-GND) meniča, čím odpadá nutnosť použitia samostatného pomocného napájacieho zdroja. Zapojenie je vhodné použiť aj pre aplikácie s vysokým napájacím napätím.

Description

Oblasť techniky

Predmetom vynálezu je zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi, ktoré je určené predovšetkým pre zdrojové aplikácie. Vynález patrí do oblasti meracej techniky a výkonovej elektroniky. Zapojenie umožňuje merať spínaný prúd meniča priamo z napätia indukčnosti a aj na vy s okom potenciáli

Doterajší stav techniky

Súčasným trendom vo výkonovej elektronike je zvyšovanie účinnosti, výkonovej hustoty a ďalších parametrov. Pre splnenie týchto podmienok musia byť použité vhodné meracie systémy, ktoré poskytujú presné informácie o aktuálnych hodnotách meraných veličín.

Meranie prúdu v spínaných meničoch je takmer vždy realizované pomocou prídavných prvkov - merací odpor, prúdový transformátor, Hallov snímač, alebo prúd merajúci tranzistor.

Merací odpor - precízny prvok so správnym dimenzovaním vzhľadom na stratový výkon a merací rozsah s ním spojenej prídavnej elektroniky - operačné zosilňovače, filtre, ADC prevodník, atď. (Dale Li: Current Shunt &Voltage Measurement Reference Designfor EV/HEVAutomotive Battery Monitoring, In: TIDesigns - Precision: Verified Design, TIDUA81,2015)

Prúdový transformátor - pomerne rozmerný prvok, použiteľný len na meranie striedavých prúdov, taktiež vyžaduje prídavnú elektroniku (TI: Three-Phase AC Current Measurement Using Current TransformerReference Design, In: TI Designs, TIDUBK3A, 2016)

Hallov snímač - polovodičový prvok využívajúci Hallov efekt. Použitie tohto meracieho prvku je obmedzené frekvenčným pracovným rozsahom a cenou. (Infineon: Current Sensing Using Linear Halí Sensors, In: Application Note, Sense and Control, 2009)

Prúd merajúci tranzistor - meranie pomocou úbytku napätia na odpore Rdsod MOSFET tranzistora (ON Semiconductor: Current Sensing Power MOSFETs, In: AND8093/D, 2017, R Pajer, M. Milanovič, B. Premzel, M. Rodič: MOS-FET as a Current Sensor in Power Electronics Converters, In: Sensors 2015, 15, 18061-18079; doi: 10.3390/s 150818061). Ďalšou možnosťou je použitie doplňujúceho prúd merajúceho zapojenia tranzistora ku výkonovému tranzistoru (T. Ribarich - Intemational Rectifier: Enhancing switch-mode power performance with RDS(on) current sensing, In: Power Systems Design: Empowering Global Innovation, 2014).

Použitie prúd merajúceho tranzistora je výrazne obmedzené len na meranie prúdu tečúceho tranzistoroma len v jeho zopnutom stave.

Podstata vynálezu

Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi pozostáva z troch častí.

Prvá časť systému sníma napätie priamo na spínanej indukčnosti zariadenia. Toto napätie sa v tvarovacom obvode a následne v diferenciálnom zosilňovači prevedie na odpovedajúci tvar a hodnotu meraného prúdu indukčnosťou, ale vo forme napätia. Časová konštanta tvarovacieho obvodu musí byť zhodná s časovou konštantou indukčnostimeniča.

Druhú časť systému tvorí nízkofrekvenčný filter, ktoiý potláča vysokofrekvenčné zložky a napäťový výstup, v ktorom je možné veľkosťouvýstupného odporu vhodne nastaviť úroveň výstupného napätia zapojenia podľa potrieb ďalších zariadení (operačných zosilňovačov, prevodníkov, atď.).

Poslednú časť systému tvorí vlastný napájači zdroj, ktoiý napája ostatné súčasti zapojenia. Tento zdroj vytvára virtuálnu zem zapojenia, a teda pridnižená elektronika je napájaná voči vysokému potenciálu zapojenia. Vďaka tomuto zdroju je zapojenie úplne sebestačné (nie sú potrebné žiadne iné napájacie zdroje) a zároveň je zapojenie možné použiť aj vo vysokonapäťových aplikáciách, kde napätie výkonovej časti presahuje dovolené napätia pridruženej elektroniky.

Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi umožňuje merať prúd pretekajúci indukčnosťou bez prídavného snímača prúdu priamo z napätia na indukčnosti.

Vynález dosahuje vysokú presnosť a dynamiku pri zachovaní všetkých vlastností klasických spôsobov merania prúdu a v porovnaní s pôvodnými riešeniami prináša ďalšie výhodné vlastnosti - nie je potrebný ďalší snímač prúdu (merací odpor, Hallov snímač, .), nie je potrebný žiaden ďalší napájači zdroj.

S K 84-2018 Α3

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je zobrazená bloková schéma zapojenia na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi, podľa obr. 1, sa skladá zo spínaného meniča 1, ktorý obsahuje indukčnosť L spolu so sériovým odporomRl indukčnostiL, na ktorých sa sníma žiadané napätie pre tvarovací obvod 2, ktorý pomocou odporu Rra kondenzátora Ct tvarovacieho obvodu 2 vytvára požadované napätie pre difeíenciálny zosilňovač 3. Výstup z difeíenciálneho zosilňovača 3 je privedený do nízkofrekvenčného filtra 4 a následne je pomocou bloku 5 napäťového výstupu prevedený na napätie odpovedajúce meranému prúdu indukčnostiL. Z výkonového napájacieho zdroja Vín je pomocou vlastného napájacieho zdroja 6 vytvorená virtuálna zem V-GND zariadenia, pričom priamo napätím z výkonového napájacieho zdroja Vín voči virtuálnej zemi V-GND zariadenia je napájaný diferenciálny zosilňovač 3.

Priemyselná využiteľnosť

Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi je možné použiť vo všetkých aplikáciách vyžadujúcich si meranie prúdu tečúceho indukčnosťou (v meničoch pre pohony, elektromobily, záložných zdrojoch, v meničoch pre obnoviteľné zdroje energie, bežných napájacích zdrojoch, a pod.).

S K 84-2018 Α3

Zoznam vzťahových značiek

- Spínaný menič

- Tvarovací obvod

3 - Diferenciálny zosilňovač

- Nízkofrekvenčný filter

- Blok napäťového výstupu

- Vlastný napájači zdroj

Vín - Výkonový napájači zdroj

L -Indukčnosť

Rl - Sériový odporindukčnosti

Rt - Odpor tvarovacieho obvodu

Ct - Kondenzátor tvarovacieho obvodu

GND - Zem zariadenia

V-GND - Virtuálna zem zariadenia

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Zapojenie na meranie spínaného prúdu diferenciálnym zosilňovačom na virtuálnej zemi pozostávajúce zo spínaného meniča (1), tvarovacieho obvodu (2), diferenciálneho zosilňovača (3), nízkofrekvenčného filtra 5 (4), bloku (5) napäťového výstupu a vlastného napájacieho zdroja (6), vyznačujúce sa tým, že indukčnosť (L) spolu so sériovým odporom (Rl) indukčnosti (L) spínaného meniča (1) sú pomocou signálových vodičov pripojené na tvarovací obvod (2), tvorený odporom (Rt) a kondenzátorom(Ct) tvarovacieho obvodu (2), ďalej že výstup tvarovacieho obvodu (2) je pripojený na vstup diferenciálneho zosilňovača (3), ďalej že ku výstupu diferenciálneho zosilňovača (3) je pripojený nízkofrekvenčný filter (4), ďalej že výstup 10 z nízko frekvenčného filtra (4) je pripojený ku bloku (5) napäťového výstupu, ďalej že výkonový napájači zdroj (Vín) je pomocou silových vodičov pripojený ku vlastnému napájaciemu zdroju (6), pričom vytvára virtuálnu zem (V-GND), ďalej že pomocou silových vodičov je napätie z výkonového napájacieho zdroja (Vín) pripojené ku difeíenciálnemu zosilňovaču (3), ďalej že virtuálna zem (V-GND) je pomocou silových vodičov pripojená ku difeíenciálnemu zosilňovaču (3) a vlastnému napájaciemu zdroju (6), a ďalej že zem (GND) zato riadenia je pomocou silových vodičov pripojená ku spínanému meniču (1) a vlastnému napájaciemu zdroju (6).