Elektronik Devreler Projeler Elektronik ve biraz daha fazlası İletişim - Araçlar - Dikkat - Topluluk
Elektronik / Elektronik Kaynakları/

Akım Ölçümü

Sponsorlu Bağlantılar

Bir çok uygulamada gerilim ölçmek gibi önemli bir diğer ölçüm gerektiren birimse akımdır. Akım ölçümünden bahsetmeden önce, akımın ne olduğunu kısaca tanımlamak uygun olacaktır.

Akım: Bir kesit üzerinden, birim zamanda akan yük miktarıdır. Elektriksel yük taşıyan parçacıkların (elektronlar) hareketinden oluşur.

Biz devre tasarlayanlar için ölçüm kritik bir öneme sahiptir ve akım her zaman başımızı ağrıtan bir değerdir.

İlkokul yıllarımıza dönecek olursak; gerilim ölçen voltmetrelerde iç direnç sonsuzdur, böylelikle devrede herhangi bir akım, bizim voltmetremizden akmayacağı için devreye etkisi sıfır kabul edilir.
Akım ölçmek için kullanılan Ampermetrelerde ise iç direnç sıfır kabul edilir. Böylelikle ampermetre devrede bir yükleyici etki göstermez.

Fakat gerçekte ne sonsuz direnç ne de sıfır iç direnç yakalamak mümkün değildir. Bu bizim ölçümlerimizde en büyük sorunu yaratan etkidir. Ancak çeşitli kabullerle bu problemlerin günümüzde aşıldığını belirtmek başlangıç için yeterli olacaktır.

Bir çok endüstriyel uygulamada, akım ölçümünde ve çok tercih edilen iki metot vardır, bunlardan birincisi shunt direnç yöntemi, diğeri ise hall effect sensor kullanımıdır.

1) Shunt Direnç Yöntemi

Bu yöntem çok fazla tercih edilen ve maliyeti en az olan yöntemdir. Kısacası devredeki yüke göre oldukça küçük ve ihmal edilebilir bir direnç üzerinden, geçen akımla orantılı gerilim okunarak, akımın ölçülmesi işlemidir. Burada ortaya çıkan üç problem vardır;

– Shunt direncin değeri ısıl değişimler gibi çevresel faktörlerden çok az etkilenmelidir.
– I^2R kayıplarından oluşacak sıcaklık etkisi göz önüne alınmalıdır.
– Küçük direnç değeri seçiminden oluşan küçük volt aralığı ölçülebilmelidir.

Çeşitli elektronik alım sitelerine göz atıldığında şönt dirençlerin genellikle sıcaklık, nem gibi etkilerden oluşacak değer değişimleri oldukça az olduğu görülebilir. Bu, referans noktamız olan shunt direnç değerinin değişmemesi açısından bakıldığında büyük önem kazanmaktadır.

Low Input Offset Sıcaklık yani direncin Watt değeri de tasarım için kısıtlayıcı bir etkiye sahiptir. Özellikle inverter, converter gibi devrelerde verim önemi ortaya çıktığında burada oluşacak verim kayıpları sistem tasarımını bazı noktalarda zora sokabilmektedir.

Bir diğer sorun ise küçük direnç ve küçük akımlardan dolayı oluşan çok küçük gerilim seviyesinin okunmasında yaşanmaktadır. Özellikle bu gerilim seviyesini yükseltmede kullandığımız opamplar, genel kullanım opamplarından farklı olup, low input offset değerleri ile dikkat çekerler. Digikey, Farnell gibi elektronik komponent alım sitelerinde, opamp seçiminde akım ölçümü ibaresi özellikle bu gibi etkilerden dolayıdır.

Shunt direnç ile ölçüm High-Side ve Low-Side olarak kendi içerisinde ikiye ayrılmaktadır.

1.a. Low-Side Ölçüm

low-side

Low-Side akım ölçümünde shunt direncin bir ucu ground’a bağlıdır. Diğer ucu ise yüke bağlanan shunt direncinin üzerindeki gerilim değerinin, shunt dirence bölümü bize yükten akan akım değerini vermektedir. Çok basit bir yapı olduğu için bir çok uygulamada kullanıldığını görebilirsiniz. Fakat bu yöntemde, shunt direncin bir ucu mutlaka ground’ta olması gerektiğinden, devrede özellikle parça parça akım okunması gerektiğinde bu yöntem kullanışlılığını yitirir.

Aşağıda bu yöntemle yapılmış bir uygulama görülebilir. Uygulamada yük 1Ω, shunt direnç değeri 1mΩ seçilmiştir. Kuvvetlendirici shunt direnç üzerindeki gerilimi 100 kat kuvvetlendirmiş, sonunda da bir katlayıcı ile (bu yazılımlarda kullandığımız katsayıyı temsil ediyor) devreden akan akım değeri bulunmuştur. Tam bu noktada devreden 0.1A geçerken opampın girişine 100uV uygulanacağı görülebilir. Bu akım değeri ölçülmek istendiğinde low offset değerine sahip opamp kullanılması zorunludur. Aksi taktirde okunan değer, ölçülmesi gereken değerden çok farklı olacaktır.

low-side-exp

1.b. High-Side Ölçüm

high-side

High-Side ölçüm tekniğinde yan tarafta da görüldüğü gibi shunt direncin ground’a bağlanması gerekmemektedir. Yalnızca kuvvetlendirici kısmında differential amplifier kullanılır. Böylelikle devrenin herhangi bir noktasındaki herhangi bir akımı rahatlıkla okunabilir. Buradaki tek sorun amplifier low-side’a göre biraz daha karmaşık yapıdadır.

Aşağıda bu yöntem kullanılarak ölçülmüş bir akım değeri görülmektedir. Low-Side ile arasındaki fark hemen görülebilir; bu yapıda shunt direnç ground’a bağlı değildir. Kuvvetlendirici için ise daha fazla eleman harcanmıştır. Yalnız bu yapı bize ayrı ayrı noktaların akım ölçümlerine olanak sağlamaktadır. Yine burada da opamp input offset değerinin oldukça düşük olması önemli bir faktördür.

high-side-exp

2) Hall Effect Etkisi İle Ölçme

hall_effect

Hall etkisini kısaca tanımlamak gerekirse, içerisinden akım geçen bir iletkende meydana gelen gerilim farkıdır. Genellikle bu fark manyetik alan etkisi ile oluşur. Bunun nedeni manyetik alanın elektronları bir yöne doğru itmeleri yani kuvvet oluşturacak etkiyi yaratmasıdır. Yandaki resimde bunun etkisi rahatlıkla görülebilir.

Bu yöntemde ise okumak istediğimiz akım değeri herhangi bir metaryalden geçerek manyetik akı oluşması sağlanmaktadır. Bu yapı bir toroid olabilir. Daha sonra bir hall sensörü bu akı miktarını ölçer ve bize bir gerilim miktarı sunar. Oluşan akı miktarı, akım ile doğrusal olarak değiştiğinden, çıkışta da lineer bir gerilim oluşur.

Aşağıda ACS755 ile yapılmış bir örneği görebilirsiniz. Bu örnektede görüldüğü üzere hall effect sensör istenilen noktaya bağlanabilmektedir. Her ne kadar fiyatları uç noktalarda olsa da doğruluk oranları nedeniyle özellikle medikal alanında sıklıkla tercih edilmektedirler.

hall

Sonuç Olarak..

Ölçüm işlemleri her zaman olduğu gibi bu konuda da oldukça sıkıntılıdır. Özellikle AC akım okuma ve filtreler işin içine girdiğinde ve yüksek akım değerleri okunmaya çalışıldığında saç sayısının azalması işten bile değildir. Bu gibi sorunları aşmak için entegre üreticileri oldukça iyi çözümler sunmaktadır. Elbette bunların hepsi paranın artış yönüyle kaliteleştiğinden, fiyat/performans oranı en iyi olan çözüme yönelmek biz mühendislerin bir numaralı sorunu olacaktır.

Yazımı noktalarken, her ne kadar ele almasam da, akım trafosu ile de akım ölçülebildiğini belirterek herkese çalışmalarında başarılar dilerim..

  • Hakan K.

    Fırat hocam çok güzel bir çalışma olmuş elinize sağlık. Akım trafosu ile akım ölçümünde DC akım da ölçmek mümkün mü hocam?

  • FxDev

    Hakan K.: Hakan, öncelikle trafoların DC ile çalışmadığını bildiğini düşünerek, akım trafosu ile DC akım ölçülemeyeceğini söylemek isterim.

  • Hakan K.

    Hocam hall sensörlerin içindede trafo var biliyorum onlar DC akım ölçe biliyor, Benide düşündüren sizin dediğiniz gibi trafoya dc akım verdiğimizde trafo enerjiye doyar üzerinde gerilim indüklenmez gerilim yoksa manyetik alanda kaybolmazmı.
    Bu durumda başka bir yaklaşım olduğu aşikar, bende aslında buradaki yaklaşımı merak ediyorum. hall sensörün sargılı materyalleri kullanarak nasıl dc akımı ölçtüğü.
    Saygılarımı sunarım.

  • FxDev

    Hakan K.: Hall sensörün içerisinde bulunan yapı sadece manyetik akı oluşturmak içindir. Bu şuna benzer; eline bir çivi al, etrafına bir kablo ile sar ve DC akım ver. Çivi bir elektromıknatıs olacaktır.

    http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/math/a/d/9/ad9dd9ea5fd7548304b79cf9d348fd82.png

    linkteki formüle bakarsanız akım manyetik alanla orantılır. Akı değerinin de fi=BxA olduğunu hatırlarsanız her şey yerli yerine oturmalıdır. A, akım geçen halkanın alanıdır. Bu yüzden Hall effect sensörler DC ve AC akımı ölçerler..

  • Hakan K.

    Fırat hocam trafolar ve smps lerle uğraşıyorum size de daha önce bahsetmiştim. Bu yüzden bobinlerle ilgili bi şey gördüğümde başka başlık altında olsa bile ilgileniyorum her seferinde bir şeyler öğreniyorum. Çok teşekkür ederim..

  • FxDev

    Hakan K.: Günümüzde herkesin %100 digital’e yöneldiği şu günlerde az da olsa analog elektronikçi görmek çok hoş bir duygu.

  • Orhan YILMAZ

    Merhabalar Fırat hocam,
    Herzamanki gibi faydalı bir yazı yazmışsınz. Hall etkisi ile ilgili entegre devre olduğunu bilmiyordum mesela.

    Birde AC akım ölçmek için bildiğiniz bir yöntem var mı acaba?

    Teşekkürler.

  • FxDev

    Orhan Yılmaz:Akım trafosu ve hall effect sensör bunlardan bir kaçı. Ayrıca şönt direnç yöntemi ile de AC akım ölçülebilir. Yalnız izalasyon isteniyorsa shunt direnç yöntemi kullanılmaz.

  • Ferudun GÖKCEGÖZ

    Merhabalar. Benim bildiğim kadarıyla, akım trafosu akımı ölçmeye değil, akımın değerini çok yüksek seviyelerden normal ampermetrelerin ölçebileceği seviyeye indirmektir. Örneğin enerji iletim hatlarında akım normal ampermetrelerin ölçmeyeceği bir seviyededir. Bunu herkes biliyor. Bir akım trafosu ile bu değer makul seviyelere düşürülür sonrasında ise ölçülen değer, trafonun dönüştürme oranı ile çarpılıp gerçek değer elde edilir. Yani akım trafosu, akım ölçmek için bir yöntem değil, akım ölçmede indirekt rol oynayan bir argümandır…

  • FxDev

    @Ferudun GÖKCEGÖZ:Trafo adı üzerinde bir gerilim ya da akım değerini herhangi bir değere dönüştüren elemandır. Ayrıca kullandığımız tüm yöntemler, akımı gerilime dönüştürmek için kullanılırlar. Dolayısı ile trafo oranını istediğimiz gibi ayarlayarak düşük akım değerini yükseltebilir ya da düşürebiliriz.

    Kullanılan tüm yöntemler gibi bu da akım ölçmede bir yöntemdir. Direkt ya da indirekt olmuş orası çok mühim değil.

  • Ferudun GÖKCEGÖZ

    @FxDev: Sizinde dediğiniz gibi “kullandığımız tüm yöntemler, akımı gerilime dönüştürmek için kullanılırlar.” Ama trafonun, akım ölçmede akımı gerilime dönüştürmek gibi bir vazifesi yoktur. Örnek verecek olursak, 10000A seviyelerinde bir akımı normal yöntemlerle ölçemeyiz. Öncelikle akımı 1/1000 dönüştürme oranında akım trafosu ile 10A gibi makul seviyelere indirebilirsek, bu aşamadan sonra bahsettiğiniz yöntemlerden herhangi biri ile akımı ölçmek mümkündür. Ampermetre cihazlarında ise bu dönüştürme oranına ilişkin bir katsayı parametresi bulunmaktadır.

    Bu parametre, kullanılan akım trafosunun dönüştrme oranına ayarlanırsa, ampermetre cihazının ekranında ölçülen değer değil, gerçek değer gösterilmiş olur. Dolayısı ile akım trafosu akım ölmede kullanılan bir yöntem değil, (sadece ölçülemeyecek seviyedeki) akımları ölçmede rol oynayan ara bir elemandır.

  • FxDev

    @Ferudun GÖKCEGÖZ: Terimlere bu kadar fazla takılıp ana noktayı kaçırdığımızı düşünüyorum. Bu anlamda bakıldığında opamp da direnç de hatta mikroişlemci bile bir ara elemandır. Aynı şeyi şönt dirençle yapmak mümkün değil mi teorik açıdan; 10.000A’i 1ohm’dan akıtıp, çıkacak gerilimi direnç bölücülerle bölüp yine oluşan gerilimi okuyabilirsiniz (pratikte imkansızdır). Burada da dirençler ara elemanlardır.
    Ayrıca akım trafosu sadece çok yüksek akımları ölçmede değil, çok küçük akımları ölçmede de kullanılabilir; sizin bildiğinizi varsayıp yorumları okuyan arkadaşlar için

    http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en540057

    linkte Microchip’in ürettiği Buck Boost kartına göz atabilirler. Devre şemasına bakarsanız, akımların trafo ile ölçüldüklerini görebilirsiniz.

    Yöntem ya da ara eleman olması dediğim gibi fark etmez, bunlar terim farkıdır. Siz ara eleman dersiniz, ben yöntem. Sonuçta ikisi de aynı işleve hizmet edecektir.

  • Ferhat YOL

    Merhabalar Fırat Bey. Ellerinize Sağlı güzel bir çalışma olmuş. Sormak istediğim bir iki nokta var. Alternatif akım ölçümlerinde çıkış değerimizi ADC ye girmek için mutlaka doğrultmak gerekiyor. Doğrultma esnasında ise kayıplar mutlaka oluyor. Bu kayıpları en aza indirmek için ne yapabiliriz. opamp çıkışını bir diyot ile doğrultma yeterli geliyormu.

    Aklıma takıldı onuda sorayım bari. Çizdiğiniz şemalarda OP : GAİN adında bir eleman kullanıyorsunuz. Sanırım gelirimi 10 kat arttırıyor. Gerçekte bu eleman yerine ne kullanabiliriz. Yine ilk opamp çıkışındaki gelirimi 10 kat arttırmak için ayrı bir opamp devresi mi kurmak gerekir. Bu konuda bilgi verebilirmisiniz.

  • FxDev

    @Ferhat: Bunu gidermenin bir yolu yok, çünkü ADC’den bir akım çekilmediği için kayıplar çok sorun değil.

    İkinci sorunuza gelecek olursak ayrı bir opamp devresi kurmanız gerek yalnız benim uygulamamda yalnızca bunu görmek için kullandım.

  • savaş

    Merhabalar, Ac gerilimi ADC ye girmek için mutlaka doğrultmak gerekmiyor. 0-5 volt aralığında girişi olan bir adc olsun ac gerilimin sıfır geçisini 2.5 volt’a atarsak ADC ile olcum yapabiliriz.

  • ercan

    Hocam merhabalar, ben bir bataryanın akımını ölçüp ölçüm değerlerini sayısal olarak bilgisayarda bir arayüzde göstermem gerekiyor. Bu benim bitirme tezim, akımı ne ile ölçüp, ölçülen değeri nasıl bilgisayar ortamına atabilirim. Yardımcı olabilirseniz çok memnun olurum hocam şimdiden teşekkürler.

  • FxDev

    @Ercan: Belirttiğin bitirme ödevini ben proje olarak yapmıştım. Sitemde bunu görebilirsin. Akım değerlerini bilmiyorum yalnız en kolay yöntem bir mikrodenetleyici ve shunt direnç kullanıp üzerindeki akımı ölçmek en kolayı. Bilgisayar tarafında ise C# ile program geliştirebilirsin.

  • murat

    Fırat kardeşim güzel bir yazı olmuş,
    Peki pikoamper mertebesinde akımları ölçmek için önereceğin yöntem nedir? input bias current femtoamper seviyesindeki bir opa’yı akım-voltaj çeviricide kullansak yeterli olur mu?

  • FxDev

    @Murat: Açıkçası hayatım boyunca uA mertebesinden aşağıya inme mecburiyeti hissetmedim. Onun için bilemiyorum. Ama teorik açıdan yaklaştığımda ideale yakın malzeme varsa, ortam gürültülerinden arındırabiliyorsanız neden olmasın.

  • mehmet

    Hocam Tesekkurler.

    Bir cihazda 1000 Ampere kadar sont direnci kullanilarak analog multimetrede deger gosterilmis. Simdi ben bu akim degerini yazilimsal almam gerekli ve burda adc ile okuma yapacagim (0-10V arasi). Ayni sont degerinden voltaji alip degerlendirmem uygun mudur? Yoksa yuk onunde yeni bir olcum yapmam mi gerekir? (sistem deki sont direnci yukle toprak arasinda)