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基于一款漏电流检测的CTSR系列传感器解析

基于一款漏电流检测的CTSR系列传感器解析

 

一:CTSR系列简介

 

    CTSR系列是LEM 在2011年发布的一款用于漏电流检测的传感器,该系列传感器基于Fluxgate原理,目前可实现对300ma,600ma,1A漏电流的检测,可应用于光伏,电力等需要漏电流检测的行业。在进行测量时候,将承载漏电流的接地线通过传感器中间的圆孔,通过测量传感器的输出推算出漏电流值。

 

   

    由于漏电流检测涉及到安全因素,因此不但要保证测量的精确性,同时也要保证器件本身是否正常。基于这个原因,LEM在该系列产品上增加了器件的自我检测的功能。目前该功能是市场上大部分同类产品所不具备的,本文即阐述这一功能的具体用法。

 

    自检的实现有2个级别,简单的自检是对传感器内部ASIC的检测,而更完善的自检则是对整个传感器输出测试电流,进而检测漏电流传感器精度的方式。

 

二:简单自检功能用法

 

    CTSR系列的副边共有4个管脚,分别是VCC(电源),0v(地),Ref(参考脚),Out(输出脚)。

 

    自检功能是配合使用Ref和Out两个管脚来完成的:

 

    首先,需要将Ref拉低至0v到1v范围内的低电平并持续至少30ms,此时传感器进入自检模式;

然后,对Out管脚的输出电平Vout进行检测,如果在表1所述范围,说明传感器正常,否则说明该传感器已经失效;

 

表1 自检模式下的Vout输出范围:

 

 

注:Vref是参考脚Ref此时的输入值

 

    将Ref管脚的低电平释放后40us,传感器结束自检模式,然后进入持续时间长约110ms的去磁模式,去磁结束之后才进入正常测量模式。整个时序详见下图:

 

 

 

三:简单自检功能的实际使用

 

 

 

    在实际应用中,由于传感器的Ref和Out可能会传输比较长的距离,因此可能引入共模干扰,为了减少共模干扰以及温漂的影响,通常会将Ref与Out接成差分输入的方式。本文采用了TI公司的ADS1000作为AD转换器,该器件内置有PGA环节,可对差分输入量放大之后再进行AD转换。

 

    当CTSR的Ref用于输出模式时,Vout的输出范围可达2.5v±2v,因此如果需要得到整个测量范围的值,需设置PGA=1。

 

    实现自检模式时,将微控制器的IO口置为高电平,经U3跟随之后驱动Q1,此时Q1导通,由传感器内部的2.5V基准经过内部的500ohm电阻给Q1灌电流,将Ref拉低,当这一过程持续超过30ms,传感器开始自检,此时将AD采集得到的数据与表1中的数据进行比对。由于U1将Ref和Out接成差分模式,因此应该是将AD值与Vout和Vref的差值进行对比。

例如采用CTSR 0.3-P时,如果发现AD采集值在[0.7,1.7v]的范围,则表明传感器自检成功,否则失败。

 

    自检结束之后,将微控制器的IO口置为低电平,此时Q1截止,Vref输出2.5v基准电压,40us后传感器进入去磁模式,去磁过程将持续110ms,之后传感器进入测量模式。

 

    如CTSR 0.3-P在测量300ma时,U1的输入差值为Vout-Vref=0.3*4=1.2v,ADS1000的理论输出CODE为:

2048*1*1.2/5=492。

 

四:全面自检功能用法

 

    在CTSR系列中,只有几个特定型号的产品具有全面自检功能,这些产品的内部均带有检测线圈。截至发稿为止有下面几个型号:

 

 

    检测线圈在传感器内的补偿线圈上绕20匝,这样就可以模拟原边电流进行检测。因此输出与测试电流的关系为:Vout-Vref=Gth*It(测试电流)*20

 

    根据IEC62109-2标准中4.4.4.15.1和4.8.3.5规定,每次光伏逆变器在重启时,需利用漏电流传感器的检测线圈验证传感器的精度。此时可以利用恒流源给检测线圈注入测试电流。在测试结束之后,应该断开测试线圈回路,以免对正常测量形成干扰。此时,由于互感原理的作用,当原边电流发生瞬间变化时,开路的测试线圈两端可能会产生高压,因此电路中应该增加相关保护器件。

 

    下图是这一功能的一个测试示例,由TL431(U3)构建恒流源为线圈提供测试电流。当U2的IO管脚置为高电平时,Q2将恒流源接通,注入测试线圈的电流为2.5v/R2=2.5v/160=15.6mA,相当于给原边通入15.6*20=312mA的电流。此时通过读取AD值与理论值312mA进行比对,对测量精度进行验证。

 

    验证完成之后,将U2的IO管脚置为低电平,Q2截止,测试线圈回路断开。此时可进行正常测量。另外在检测线圈两端跨接TVS管,当原边电流发生瞬变时,测试线圈耦合产生的能量通过TVS管释放。

 

 

 
 
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