Digitale DC-stroomsensoren

Stroommeting nog eenvoudiger

De Amerikaanse firma Riedon heeft onlangs een stroomsensor uitgebracht die speciaal bedoeld is voor het meten van grote DC-stromen. Opvallend aan dit onderdeel zijn de afmetingen. Met slechts een voetprint van nog geen7 x 8 cm en een hoogte van 1,6 cm is deze veel kleiner dan exemplaren van andere aanbieders.

Het meten van een stroom is op zich niet moeilijk. Met een shunt-weerstand en de wet van Ohm is deze klus zo geklaard. De spanning over de shunt kan met een ADC omgezet worden in een digitale waarde die vervolgens door elke microcontroller verder verwerkt kan worden.
Ondanks dat het meten van de stroom op deze manier niet moeilijk is, kleven er toch een aantal nadelen aan. Allereerst is dat de spanningval over de shunt-weerstand. Daarnaast is er het vermogensverlies in de vorm van warmte die op de één of andere maner afgevoerd moet worden. Daar komt bij dat de schakeling tussen de shunt en de ADC niet galvanisch gescheiden is, iets dat in bepaalde gevallen niet wenselijk is. Daar komt bij dat de waarde van de shunt na verloop van tijd kan verlopen, iets dat maakt dat met enige regelmaat het systeem opnieuw gekalibreerd moet worden.

Intelligente shunt
Speciaal voor het meten van stromen heeft Riedon (fabrikant van vermogens- en precisieweerstanden) de SSA Smart Shunt-stroomsensorserie ontwikkeld (afbeelding 1). Deze kwam in 2020 op de markt. Dit is een analoge sensor waarin de hoge stroomsterkte van conventionele passieve shuntweerstanden samengevoegd is met de nauwkeurigheid van closed-loop Hall Effect-stroomsensoren. Dit is een analoge sensor en heeft dus voor het verwerken van de meetresultaten altijd nog een ADC nodig.
In de nieuwe SSD Smart Shunt-serie is deze ADC geïntegreerd samen met de nodige verwerkingselektronica en een communicatie-eenheid. Deze sterk geïntegreerde digitale system-in-package (SiP)-sensoren kunnen worden gebruikt in een breed scala aan stroommeettoepassingen. Elk sensor beschikt over een 16-bits microcontrollereenheid (MCU), een 24-bits ADC (met gebufferde analoge ingangen) en een flash-geheugen. Hiermee kan plug-and-play naast het meten van de stroom ook de (batterij)spanning bewaakt  worden en de hoeveelheid lading in coulombs gemeten worden. Toepassingen waarvoor deze sensoren gebruikt kunnen worden, zijn grootschalige energieopslagbanken, infrastructuur voor het opwekken van hernieuwbare energie, industriële motoraandrijvingen, automatiseringssystemen voor gebouwen, EV-laadstations, enz. Voor deze applicaties bieden ze een unieke combinatie van eigenschappen zoals nauwkeurigheid, stabiliteit en elektrische isolatie. Daarbij is het niet meer noodzaak om ze periodiek te kalibreren. Door de ingebouwde intelligentie heeft de gebruiker met één sensor toegang tot een grote hoeveelheden meetgegevens en is integratie in een meetsysteem veel eenvoudiger.
Voor de communicatie kunt u kiezen uit twee modellen. De eerste is uitgerust met een seriële RS485-interface, die ook kan worden geconfigureerd als MODBUS RTU. De tweede is voorzien van een instelbare CANbus.

Grote stromen
Het weerstandselement in de SSD-serie is gemaakt van CuMnNi (koper, mangaan, nikkel) met een vernikkeld koperen aansluitblok. U heeft de keuze uit modellen met een bereik van 100 A (2 kA piek) tot 1 kA (20 kA piek). Binnen de serie zijn er vier standaardmodellen van 100 A, 250 A, 500 A en 1000 A, met aangepaste varianten op aanvraag. De weerstandswaarden van de detectie-elementen variëren van 30 µΩ tot 300 µΩ en de shunts kunnen worden gebruikt in systemen met DC-busspanningen tot 1200 V voor detectie aan de hoge of lage zijde. Galvanische isolatie is geclassificeerd tot 1500 V_DC. Ze hebben een meetafwijking van minder dan ± 0,1% volledige schaal en hun lineariteit blijft binnen een marge van ± 0,1%. De geavanceerde niet-lineaire temperatuurcompensatiemechanismen waarover deze sensoren beschikken, zorgen ervoor dat hun nauwkeurigheid niet wordt beïnvloed door externe temperatuurschommelingen.
Stabiliteit op lange termijn is een ander belangrijk kenmerk van de SSD Smart Shunt-serie, met minder dan ±0,1% afwijking gedurende 1000 bedrijfsuren (bij een temperatuur van 60 °C). Dankzij het bedrijfstemperatuurbereik van – 40 °C tot +115 °C (omgevingstemperatuur) kunnen deze sensoren worden gebruikt in ruwere omgevingen. Dit is een veel groter bereik dan menig andere sensor. Door het ingebouwde flash-geheugen kunnen metingen en parameters intern opgeslagen worden. Daarbij gebruikt het geheugen een foutcorrectiecode (ECC) en autocorrectie op enkele bitfouten.
De sensormodule wordt gevoed door een externe voeding van 3,0 V tot 5,5 V en verbruikt ongeveer 30 mA belastingsstroom. Ze zijn ondergebracht in een behuizing van slechts 68,8 mm x 80 mm en hebben een hoogte van 16,4 mm. Hiermee zijn ze veel kleiner dan vergelijkbare typen.

En meer
De nieuwe shunts zijn nog zo nieuw dat op het moment dat we dit schrijven op de site van Riedon nog geen datasheet beschikbaar is. Uit een instructiefilm op YouTube is op te maken dat de sensor heel veel mogelijkheden heeft.  Via de communicatiebus zijn alle parameters gemakkelijk uitleesbaar voor verdere verwerking. De gebruiker heeft hiermee gemakkelijk toegang tot de meetresultaten voor verdere verwerking in zijn applicatie.
Het filmpje laat ook zien hoe gemakkelijk de sensor is te monteren op een bij deze sensor leverbaar montageblokje gemaakt van geïsoleerd materiaal. Ook dit vergemakkelijkt het gebruik van deze slimme shunt.

De YouTube instructievideo:

De sensoren zijn verkrijgbaar via Digi-Key.