مستشعرات التيار المعزول في التطبيقات الكهربائية

يعد استشعار التيار الكهربائي المعزول أمراً أساسياً في العديد من السياقات، بما في ذلك إلكترونيات القدرة والسيارات والمباني الذكية، ومن أجل تلبية متطلبات التطبيقات الحديثة؛ فإنه يجب أن تتميز المستشعرات المرتبطة بالتيار بعرض نطاق ترددي أكبر ونطاق ديناميكي أوسع، بالإضافة إلى تقليل استهلاك الطاقة والأبعاد المتعددة للأنظمة الكهربائية.

تحليل مستشعرات التيار المعزول في التطبيقات الكهربائية

تتطلب التطبيقات المختلفة في إلكترونيات السيارات والطاقة استشعاراً دقيقاً للتيار لتقدير الطاقة الكهربائية والطاقة، حيث أن هذا الطلب مدفوع بالاتجاهات والسياسات الحديثة نحو كفاءة الطاقة والشبكات الذكية والمباني الذكية والسيارات الكهربائية الهجينة، كما يعتبر استشعار التيار ذا أهمية أساسية في وحدات الطاقة والمحولات الكهربائية واكتشاف التسرب الحالي وكذلك الحماية الكهربائية من التيار الزائد.

وفي العديد من هذه التطبيقات؛ فإنه يجب أن يلبي المستشعر الحالي العديد من المتطلبات، بما في ذلك فقدان الإدخال المنخفض والنطاق الديناميكي العالي والمتانة والسرعة العالية والتكلفة المنخفضة والأبعاد المادية المخفضة، لذلك؛ فإنه من الضروري تطوير أجهزة استشعار مصغرة وعالية الأداء يمكن تضمينها في نظام الطاقة، وفي هذا السياق تعد مستشعرات تأثير هول (HECS) مرشحة واعدة، ونظراً لأنها أجهزة صغيرة بطبيعتها تتميز بعزل كلفاني عن التيار المحسوس.

كما يعد تصميم وتطوير وتوصيف (HECS) أمراً صعباً بسبب المعرفة اللازمة في العديد من التخصصات المختلفة من القياس المغناطيسي وفيزياء الحالة الصلبة، إلى تصميم الدوائر والمقاييس، بحيث تهدف هذه الدراسة إلى عرض تقديمي شامل ومتعدد التخصصات لـ (HECS)، مما يوفر للقارئ نظرة عامة شاملة، كما يمكن استخدام هذا البرنامج التعليمي كأساس لتصميم (HECSs) أو لتوصيف والتحقق من الأجهزة الجاهزة باستخدام أرقام الاستحقاق المناسبة (FoMs).

وبالنسبة إلى مقاييس الاستشعار، وعند تحليل جهاز استشعار؛ فإنه من المهم تحديد (FoMs) الرئيسية لتقييم الأداء. من منظور وظيفي، بحيث يمكن وصف أجهزة الاستشعار الحالية بشكل عام عن طريق التعبير عن جهد الخرج (Vout) كدالة للقياس والتيار الكهربائي (I):

نظرة عامة على تقنيات الاستشعار الخاصة بالتيار المعزول

يتم الإبلاغ فيما بعد عن مراجعة غير شاملة لأساليب الاستشعار الحالية الأكثر شيوعاً من خلال تسليط الضوء على المزايا والقيود، في حين يوضح الشكل التالي (1) أحد التصنيفات الممكنة لتقنيات الاستشعار المختلفة في هذه الحالة على أساس مبدأ الاستشعار.

بينما يمكن تطبيق قانون أوم بسهولة لقياس التيار الكهربائي باستخدام انخفاض الجهد عبر موصل، والذي يحمل تياراً بمقاومة معروفة، على سبيل المثال، مقاوم التحويل؛ فإن هذا التكوين يفتقر إلى العزلة الجلفانية، مما يتسبب بشكل متناسب في التبديد.

وبالنسبة الى محولات التيار (CT) هي أجهزة بسيطة وحساسة للغاية وقوية ورخيصة وذات نطاق عريض قادرة على قياس تيارات التيار المتردد، حيث أن تيار الخرج هو دالة للتيار الأولي وينتج من الحث المغناطيسي المعاكس على الجانبين الأولي والثانوي، كما يمكن جعل (CTs) دقيقة للغاية باستخدام نوى عالية النفاذية وعدد كبير من المنعطفات، ومع ذلك لا يمكنهم الشعور بتيارات التيار المستمر، كما ويخضع قلبهم المغناطيسي للتشبع، والذي يمكن تجنبه عن طريق زيادة منطقة المقطع العرضي الأساسية.

بالإضافة إلى ذلك؛ يكون اللب المغناطيسي عادة عرضة للتباطؤ والخسارة، وخاصةً ملفات (Rogowski) التي تستخدم لفائف الهواء غير المغناطيسية الحديدية الملتفة حول الموصل، والتي تسمح لأجهزة الاستشعار التي يمكن الاعتماد عليها ولديها (DR) كبير وخطية بشكل عالي، ومع ذلك لا تزال غير قادره على الاستشعار بالتيار المستمر وتكون حساسيتهم أقل نسبياً من (CTs).

كما تستغل مستشعرات (Fluxgate) التباطؤ المغناطيسي للمواد المغناطيسية من أجل استشعار الحقول المغناطيسية الصغيرة جداً، كما يمكن استخدامها لتحقيق مستشعرات تيار عالية الدقة، ومع ذلك فهي محدودة (DR) و (BW).

سلسلة الاستشعار الخاصة بالتيار الكهربائي المعزول

تقنية العصر الحالي

يُعد جهد الإزاحة أحد القيود الرئيسية في ألواح الفراغ، حيث يمكن أن يصل إلى بضعة مللي فولت، مما يؤدي إلى إزاحة مجال مغناطيسي مُشار إليه من بضعة أمتار إلى عشرات طن متري، بحيث يمكن أن ينتج جهد الإزاحة الجوهري للوحة [Hall (Vos ،plate)] عن مصادر منتظمة وعشوائية، على سبيل المثال تدرجات المقاومة والعيوب البلورية والضغط الميكانيكي.

ونظراً لأهميتها؛ فقد تناولت العديد من الدراسات نمذجة وتعويض، كذلك النموذج الأساسي للوحة (Vos) هو جسر ويتستون المقاوم غير المتوازن (الشكل 2-a)، حيث ينتج عن الجهد الكهربائي التفاضلي بين الفرعين من خلال:

وعلى الرغم من وجود نماذج دوائر مكافئة أكثر تعقيداً؛ إلا أنها جميعاً مشتقة من جسر ويتستون الأساسي، ومن حيث المبدأ، إذا كانت لوحة (Hall) متناظرة ومتبادلة، على سبيل المثال يمكن تبديل جهات اتصال التحيز والإحساس دون أي تأثير على جهد (Hall)؛ فمن المقبول تركيز عدم توازن جسر ويتستون في مكون واحد كما في الشكل السابق (2-a)، وفي هذه الحالة يمكن إبطال الإزاحة نظرياً عن طريق تطبيق تقنية الاقتران، والتي تتكون من إقران لوحتين هول وربطهما بالتوازي، وذلك مع تدوير إحدى اللوحتين بمقدار (90) درجة (الشكل 2-b).

ومع ذلك، ومن الناحية العملية؛ فإن إزاحة المجسين لا تتطابق تماماً أبداً بسبب الطبيعة الإحصائية لبعض مصادر الإزاحة، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن الإزاحة تعتمد على الوقت ودرجة الحرارة، مما يتطلب معايرة دورية، وذلك مع توفير درجة معينة من تقليل الإزاحة، بحيث ستترك تقنية الاقتران دائماً قيمة تعويض متبقية وستحدث عيوباً إضافية، حيث إنها تضاعف المساحة واستهلاك الطاقة.

الواجهة الأمامية التناظرية

يلعب (AFE) دوراً مهماً لأنه يؤثر بشكل مباشر على أداء المستشعر، كما ويجب تكييفه مع خصائص لوحة (Hall) بشكل عام، كما يتضمن (AFE) الدوائر المطلوبة لتحيز لوحة (Hall) واستشعار جهد (Hall)، ومع ذلك تتم مناقشة الأخير فقط هنا، لأنه يتضمن تحديات التصميم الرئيسية، كما يجب أن تفي (AFE) بالعديد من المتطلبات من بينها:

• مكاسب تفاضلية عالية، وعادة أكبر من (× 100)، وذلك اعتماداً على التطبيق والتكنولوجيا.

• مقاومة عالية للإدخال، وذلك لتجنب تصريف التيار من ملامسات الإحساس.

• إزاحة ضئيلة فيما يتعلق بالتوازن المتأصل الذي تعرضه لوحة القاعة.

وأخيراً يعد استشعار التيار المصغر والمعزول الجلفاني مطلباً مهماً دائماً للعديد من أنظمة الطاقة الإلكترونية، كما من التطبيقات الصناعية إلى تطبيقات السيارات، كذلك يمكن أن تلعب (HECS) دوراً رئيسياً في هذا السياق، ونظراً لأبعادها المخفضة وتكلفتها المنخفضة وتوافقها مع تقنية السيليكون، ومع ذلك؛ فإن تصميم (HECS) الجيد يشمل العديد من التخصصات، كذلك من القياس المغناطيسي إلى فيزياء أجهزة السيليكون وتصميم الدوائر التناظرية.

أيضاً وصفت هذه المقالة مبادئ التشغيل وتقنيات التنفيذ الرئيسية باتباع تدفق التصميم النموذجي، كما من لوحة (Hall) إلى الترتيب الميكانيكي أو المغناطيسي لجهاز الاستشعار، بحيث تم إيلاء اهتمام خاص لصفيحة القاعة، والتي تعد الجزء الأساسي من (HECS)، والتي تحدد الأداء الرئيسي والأمور غير الواقعية، بحيث تمت مراجعة المبادئ الفيزيائية لتأثير هول في ألواح السيليكون، بالإضافة إلى تحديات التنفيذ العملي الرئيسية.