چطور جریان را اندازه بگیریم؟

اندازه گیری جریان از آن کار هایی است که هر کس به روش خودش آن را انجام می دهد. مثلا مهندسان برق قدرت یا کسانی که با ولتاژ های بالا سر و کار دارند از مولتی متر استفاده می کنند یا در شبکه های برق از ترانسفورماتور های جریان استفاده می شود.

اما مسئله ای که وجود داره و خود من هم خیلی درگیرش بودم، اندازه گیری جریان در مدارات الکترونیک قدرته، جایی که شما ممکنه جریان های بالایی در حد کیلو آمپر داشته باشید اما به دلایل متعددی مثل کمبود فضا یا برخی از مسائل دیگر نتوانید از ترانس جریان استفاده کنید.مشکل اصلی ترانس جریان اینه که خروجی جریانی داره و شما تا حد زیادی هم اجازه بارگذاری روی ترانس جریان رو ندارید. حالا باید چه کنیم؟ به نظر می رسد پاسخ های ساده ای برای این سوال وجود داشته باشد اما در عمل پیاده سازی این روش ها چالش های خودش رو خواهد داشت. در این نوشته سعی کردم روش هایی که برای این مشکل وجود داشته رو بیان کنم. شاید این روش ها و حتی روش های بهتری توی اینترنت پیدا کنید اما  بیشتر اون ها رو من توی عمل هم به کار گرفتم و با توجه به موقعیت سیستم ها، هر کدوم مزایا و معایبی داشتن. امیدوارم بتونید از اونها به خوبی استفاده کنید.

مقاومت موازی

ساده ترین راه برای سنجش میزان جریان عبوری از یک مسیر استفاده از یک مقاومت است. این ایده به این شکل است که یک مقاومت با میزان خیلی کوچک را در مسیر عبور جریان قرار می دهیم و با استفاده از یک آپ امپ میزان اختلاف ولتاژ در دوسر مقاومت را اندازه گیری می‌کنیم و با استفاده از افت ولتاژ و قانون اهم میزان جریان عبوری به دست می آید. مدار تقریبا به شکل زیر خواهد بود.

خب حالا که تقریبا با ایده آشنا شدیم می توانیم شروع به طراحی کنیم. برای به کار بردن مقاومت موازی چون در مسیر جریان است پس تلفات خواهیم داشت. اینجا باید به دو نکته توجه کنیم اول این که باید میزان تلفات این مقاومت و افت ولتاژ روی آن را در محاسبات طراحی لحاظ کنیم. نکته دوم این است که باید مقاومت را تا حد امکان کوچک انتخاب کنیم و توان مقاومت باید با میزان جریان عبوری متناسب باشد. من در آخرین پروژه از یک مقاومت آجری ۰.۰۵ اهم با توان 30W استفاده کردم که قابلیت عبور جریان تا حد ۲۵ آمپر را‌ داشت. همچنین شما می توانید از یکسری مقاومت با نام شانت استفاده کنید. این مقاومت ها در رنج ۲۰ تا ۱۰۰ میلی اهم هستند و توان بالایی هم دارند و دقیقا برای اندازه گیری جریان ساخته می شوند.

در مورد آپ امپ هم که آی سی معروف UA741 معرف حضورتون هست. در مورد نحوه به کار بردن آپ امپ در مدار به صورت تقاضلی به کار می رود و معمولا برای تغذیه از تغذیه یکسان با میکرو‌کنترلر استفاده می کنم، چون معمولا نویز بسیار کمتری روی تغذیه میکرو‌کنترلر وجود دارد. برای این که به صورت تفاضلی از آپ امپ استفاده کنید مدار ساده زیر به کارتون میاد.

با محاسباتی که برای آپ امپ داریم، اگر مقاومت های فیدبک و مقاومت های پایه ورودی برابر باشند، میشه از فرمول زیر استفاده کرد:

مشکل استفاده از مقاومت موازی این است که در جریان های بالا نمی توان از این مقاومت به دلیل افت ولتاژ زیاد یا نیاز به یک مقاومت با توان بسیار بالا استفاده کرد. مشکل دیگر این است که ممکن است به دلیل حرارت ایجاد شده در مقاومت موازی و یا دقیق نبودن آن، سیستم اندازه گیری جریان از دقت بالایی برخوردار نباشد. در یکی از پروژه ها با مشکل دقیق نبودن این سیستم روبرو‌ بودم تا جایی که گاهی بعد از کارکرد چند ساعته سیستم اندازه گیری مقدار جریان را حدود ۵۰ درصد پایین تر نشون میداد.

سنسور اثر هال

راه بعدی اندازه گیری جریان استفاده از آی سی های اثر هال می باشد. این آی سی ها می توانند روی یک ترک از برد PCB قرار بگیرند و یا به صورت یک ماژول جداگانه باشند. معروف ترین آی سی استفاده شده داخل ایران ACS712 است که با توجه به شرکت سازنده و کیفیت ساخت می تواند مقدار های متفاوتی از جریان را اندازه گیری کند. رنج آی سی های ساخت شرکت allegro برای اندازه گیری ۵ ، ۲۰ و ۳۰ آمپر است. مصرف این آی سی حدود ۱۰ میلی آمپر است و با تغذیه ۵ ولتی کار می کند.

یکی از استفاده های مهم از این آی سی اندازه گیری جریان های بالاتر از ۵۰ آمپر است. هنگامی که جریان شما به ۵۰ آمپر یا بالاتر می رسد حتما باید از ترانس جریان استفاده کنید. خروجی ترانس جریان می تواند بین ۰ تا ۵ آمپر باشد(به طور‌معمول به این شکل است ولی مدل های متفاوتی از ترانس جریان در بازار موجود هستند) شما با استفاده از این ماژول می توانید خروجی ترانس جریان را اندازه گیری کنید و عملا میکروکنترلر در این مدار به صورت ایزوله نسبت به مدار قدرت و خطرات ناشی از آن فعالیت خواهد کرد. البته از همین مدل آی سی با پارت نامبر ACS772 وجود دارد که می تواند با استفاده از اثر هال تا جریان ۴۰۰ آمپر را هم اندازه گیری کند. برای جریان های بالاتر هم می توان از همین نوع آی سی استفاده کرد اما قطعا طراحی و نحوه عملکرد آی سی ها خیلی متفاوت خواهد بود.

استفاده از سنسور های اثر هال با دو‌مشکل اساسی همراه است : اول این که ممکن است به دلیل تداخل الکترومغناطیسی در مدار و یا نزدیک بودن ترک های جریان به یکدیگر این سنسور ها از دقت کافی برخوردار نباشند. مشکل دوم این است که محل قرارگیری سنسور یا به صورت ماژول جداگانه خواهد بود و یا اگر بر روی PCB مدار اصلی به کار می رود باید ملاحظات طراحی مانند اندازه ترک و یا چند لایه بودن PCB مورد توجه قرار بگیرد. با این حال استفاده از سنسور های اثر هال یکی از بهترین روش های اندازه گیری جریان داخل مدارات الکترونیک قدرت می باشد.

توان ورودی خروجی

از این روش بیشتر در مبدل های AC-DC و یا DC-DC استفاده کردم. روش کار خیلی ساده است، با اندازه گیری توان ورودی در یک مبدل و دانستن ولتاژ خروجی در همان مبدل می توان جریان لحظه ای بار را اندازه گرفت. ما معمولا در طرف AC به راحتی میزان توان را اندازه گیری می کنیم، پس تقریبا می توان با ضریب خطای بسیار پایین جریان بار را حدس زد. در مبدل ها توان مصرفی مبدل صفر در نظر گرفته می شود، اگر مبدل ها در توان های بالا کار می کنند ممکن است این که بخواهیم مصرف توان مبدل را صفر در نظر بگیریم خیلی کار درستی نباشد چون دقیقا در توان های بالا که جریان عبوری حدود چند صد آمپر است، افت ولتاژ روی حالت روشن کلید ها و یا دیود ها به صورت قابل ملاحظه ای بالا خواهد بود و تلفات توان بسیار زیاد است. در مبدل های DC-DC هم چون هم جریان و ولتاژ ورودی را اندازه گیری می کنیم و هم ولتاژ خروجی را، می توان برای محاسبه جریان خروجی از ضریب تبدیل مبدل یا مسئله برابر بودن توان ورودی و توان خروجی استفاده کرد. مثلا در یک‌مبدل باک، به صورت زیر می توان با استفاده از میزان دیوتی سایکل جریان و ولتاژ خروجی را محاسبه کرد.

مجموع همه این ها روش هایی است که برای سنجش میزان جریان عبوری از یک مدار الکترونیک قدرت به کار می‌رود و به نظر من با پیشرفت تکنولوژی و در دسترس بودن آی سی های اثر هال استفاده از این آی سی بسیار منطقی است. روش های دیگر هم کاربرد های خودش را حفظ خواهند کرد اما معمولا عمومیت ندارند. مثلا در یک مبدل برای محدود کردن میزان جریان خروجی نیاز به استفاده از یک سنسور اثر هال و اختصاص یک پایه و ADC میکروکنترلر به آن نیست، بلکه با استفاده از یک مقاومت موازی در مسیر جریان می توان آپ امپ را طوری تنظیم کرد که هنگامی که جریان از محدوده مورد نظر بالاتر رفت یک سیگنال خطا تولید شود. گاهی هم مسئله هزینه ساخت یا محدودیت فضا وجود دارد که استفاده از روش های جایگزین را منطقی تر می کند.

امیدوارم به اندازه کافی این مقاله و روش های آن برای شما به درد بخور بوده باشد.