Měření stejnosměrného proudu a šířka pásma

Stačil vám přesný senzor pro měření stejnosměrného proudu, ale po rozhovoru s HIOKI jste si nakonec objednali AC/DC proudový senzor s šířkou pásma 10 MHz… Má HIOKI obchodní kouzelníky, kteří prodají Eskymákům led? Nebo je šířka pásma důležitá i při měření DC?

Když se řekne „šířka pásma“ u měřicího přístroje, většině lidí se jako první vybaví definice šířky pásma u osciloskopu. Podle standardu pro digitalizaci průběhů (IEEE 1057) je elektrická šířka pásma definována jako bod, ve kterém amplituda sinusového vstupního signálu klesne o 3 dB (přibližně o 30 %) oproti úrovni při nižší referenční frekvenci.

Podívejme se na frekvenční derating křivku AC/DC proudového senzoru HIOKI CT6873 (200 A) se šířkou pásma 10 MHz:

Frequency derating curve of HIOKI CT6873 current sensor

Obr. 1: Frekvenční derating křivka proudového senzoru HIOKI CT6873

Pokud se maximální DC vstupní proud 400 A při 10 MHz sníží na maximální vstupní proud 0,7 A, není potřeba žádný titul z matematiky, aby bylo jasné, že jde o pokles výrazně větší než 30 %. Je to proto, že derating proudového senzoru a jeho šířka pásma spolu nijak nesouvisí.

Pokud tedy šířka pásma nepopisuje proud, který je senzor schopen v daném pásmu měřit – co vlastně popisuje?

Co znamená šířka pásma?

Šířka pásma vyjadřuje rozsah frekvencí, na které je senzor schopen přesně reagovat. U proudového senzoru to znamená, jak rychle dokáže detekovat a reagovat na změny měřeného proudu.

Běžný způsob, jak vysvětlit vztah mezi dobou odezvy a šířkou pásma (BW), je pomocí doby náběhu (T_rise), což je čas potřebný k tomu, aby signál vzrostl z 10 % na 90 % své konečné hodnoty:

Definition of Rise Time

Obr. 2: Definice doby náběhu

Podívejme se na ilustraci doby náběhu proudového senzoru:

Illustration of Rise Time

Obr. 3: Ilustrace doby náběhu

Oranžová křivka znázorňuje, jak výstup senzoru reaguje v čase na skokovou změnu vstupu. Vodorovné přerušované čáry označují 10 % a 90 % konečné hodnoty výstupu senzoru. Tyto úrovně jsou klíčové pro měření doby náběhu. Doba náběhu je interval mezi okamžikem, kdy výstup poprvé dosáhne 10 % své konečné hodnoty, a okamžikem, kdy dosáhne 90 %. Na grafu je vyznačena oboustrannou šipkou.

Je důležité poznamenat, že uvedený vztah neplatí pro všechny proudové senzory – ve většině případů je však správný.

Následující výňatek z manuálu HIOKI CT6710 / CT6711 popisuje dobu náběhu podle uvedeného vztahu:

Rise time and frequency band - excerpt of HIOKI's CT6710, CT6711 manual

Obr. 4: Doba náběhu a frekvenční pásmo – výňatek z manuálu HIOKI CT6710 / CT6711

Proč je šířka pásma důležitá i při DC měření

I v aplikacích zaměřených na měření stejnosměrného proudu umožňuje krátká doba náběhu senzoru zachytit přechodové jevy. Tyto rychlé změny proudu mohou vznikat například při zapnutí/vypnutí zařízení, při poruchových stavech nebo při spínání v obvodu.

Proudový senzor s dostatečnou šířkou pásma tak umožňuje přesně zachytit například nárazový (inrush) proud při rozběhu motoru.

Měření DC proudu může být také ovlivněno vysokofrekvenčním šumem nebo rušením z různých zdrojů, jako je elektromagnetické rušení (EMI) z okolních zařízení, vysokofrekvenční rušení (RFI) nebo spínací šum z výkonové elektroniky.

Senzor s dostatečnou šířkou pásma dokáže přesněji zobrazit skutečný průběh proudu – včetně detekce a případného odfiltrování těchto rušivých složek, které by jinak mohly měření zkreslit nebo zůstat u senzoru s nízkou šířkou pásma neodhaleny.

Závěr

I když je hlavním předmětem měření stejnosměrný proud, šířka pásma proudového senzoru hraje zásadní roli pro zajištění přesného, spolehlivého a komplexního měření v různých provozních podmínkách a aplikacích.

Kai Scharrmann, HIOKI Europe GmbH