Elektronik / Elektronik Kaynakları/

Akım Ölçümü

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..

Sponsorlu Bağlantılar
  1. Hakan K. 2013/05/19
  2. FxDev 2013/05/19
  3. Hakan K. 2013/05/19
  4. FxDev 2013/05/19
  5. Hakan K. 2013/05/19
  6. FxDev 2013/05/19
  7. Orhan YILMAZ 2013/05/19
  8. FxDev 2013/05/19
  9. Ferudun GÖKCEGÖZ 2013/05/19
  10. FxDev 2013/05/19
  11. Ferudun GÖKCEGÖZ 2013/05/19
  12. FxDev 2013/05/19
  13. Ferhat YOL 2013/05/19
  14. FxDev 2013/05/19
  15. savaş 2013/05/19
  16. ercan 2013/05/19
  17. FxDev 2013/05/19
  18. murat 2013/05/19
  19. FxDev 2013/05/19
  20. mehmet 2014/12/18

Yorum

Soru: