Sviluppo elettrico: 4 tendenze chiave nella rilevazione della corrente per tecnologie avveniristiche

Tra tutti i termini più in voga utilizzati per descrivere la sempre crescente elettrificazione del nostro mondo, uno dovrebbe spiccare in particolare: il rilevamento della corrente. Sono poche le innovazioni di cui si sente parlare nel campo degli array per energia solare, delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV) o nella robotica che sarebbero possibili se non esistesse una tecnologia di rilevamento della corrente affidabile, accurata e facile da progettare.

In questo articolo verranno affrontate quattro tendenze fondamentali nella progettazione che sono emerse dalla crescita di applicazioni elettrificate e le tecnologie di rilevamento della corrente previste per affrontarle: tensioni di sistema più elevate, maggiore protezione del sistema, monitoraggio telemetrico e fattori di forma ridotti. Nel complesso, i sensori di corrente sono utilizzati per il monitoraggio di un parametro fondamentale, ossia una corrente, in un sistema elettrico, consentendo quindi al sistema di funzionare nel modo più efficiente possibile all’interno di un intervallo di sicurezza.

Supporto per tensioni di sistema più elevate grazie al rilevamento della corrente

I requisiti di efficienza si fanno sempre più severi e le tensioni di sistema aumentano di conseguenza per contribuire a migliorare l’efficienza. Con tensioni di sistema più elevate, la quantità di corrente che viene erogata a un carico può essere ridotta per creare una quantità equivalente di potenza, in base alla legge di Ohm, il che contribuisce a ridurre le perdite di I2R in un sistema. Tensioni più elevate permettono di far passare quantità di potenza maggiori in modo più efficiente attraverso un sistema, in quanto l’intervallo di corrente è più basso; ciò consente di generare meno calore in stadi come gli inverter di potenza CA/CC o CC/CC.

Il caricabatterie per veicoli elettrici mostrato in Figura 1 trasmette la potenza al di fuori della rete, che potrebbe essere a livelli di tensione di 120 VCA, 240 VCA, 230 VCA (monofase) o 400 VCA (trifase). Il tipico caricabatterie per veicoli elettrici trasmette la potenza in CA da una rete a un caricabatterie di bordo per veicoli elettrici, il quale converte la potenza in CC e fornisce la carica alle batterie.

In un caricabatterie veloce in CC, la potenza in CA entra nel caricabatterie per veicoli elettrici provenendo da una rete, viene convertita da CA a CC all’interno del caricabatterie ed eroga tensioni fino a 920 VCC alle batterie per una ricarica più rapida. Salire a livelli di tensione più elevati e mantenere livelli di corrente simili permettono di convogliare più potenza direttamente nelle batterie e ottenere una ricarica più rapida e più efficiente.

 

I sensori di corrente contribuiscono ad aumentare l’efficienza del sistema nei caricabatterie per veicoli elettrici e possono essere utilizzati in più punti del sistema. Questi sensori possono essere utilizzati sugli ingressi di linea in CA, i quali effettuano il monitoraggio della corrente al fine di regolare la potenza reattiva che entra nel sistema sul front end. Un altro impiego è a valle del loop di controllo del fattore di potenza e del CC/CC secondario, sul nodo positivo oppure sul nodo negativo del sistema: questa configurazione è utilizzata per il monitoraggio dei guasti.

Inoltre vi è un punto fra il CC/CC primario e il CC/CC secondario in cui è possibile utilizzare il rilevamento della corrente da amplificatori differenziali per il bilanciamento del flusso. Oltre a questi aspetti, è fondamentale utilizzare sensori di corrente isolati come il TMCS1123 o l’AMC3302 per proteggere il sistema e le persone che interagiscono con i caricabatterie per veicoli elettrici. Diversi sottosistemi presentano requisiti di accuratezza differenti e, in generale, è necessario utilizzare amplificatori isolati quando è richiesta un’accuratezza <1%.

Maggiore protezione del sistema

L’elettrificazione comporta inoltre un aumento della necessità di protezione del sistema al fine di garantire che un sistema sia in grado di reagire prontamente a un evento al di fuori del campo di esercizio sicuro in modo da evitare danni al semiconduttore o ad altre parti delicate. Nella maggior parte dei sistemi è presente una qualche forma di protezione del sistema per assicurare che il sistema funzioni come previsto. Ad esempio, se i robot mostrati in Figura 2 rilevano un elemento più pesante del solito, potrebbe verificarsi un notevole picco di corrente all’interno dei motori elettrici.

 

Un picco di corrente potrebbe indicare che un carico va oltre la capacità del robot e potrebbe quindi potenzialmente danneggiare il contenuto del sistema o il braccio fisico del robot. Un dispositivo di rilevamento della corrente con un comparatore integrato sarebbe in grado di riconoscere l’ingresso della corrente di picco nei motori elettrici, eventualmente al di fuori del campo di esercizio sicuro del sistema. L’INA301A e l’INA301 con comparatore di sovracorrente integrato potrebbero reagire con un tempo di reazione <1 µS e far partire un allarme con conseguente spegnimento del sistema. Questa situazione è simile a una misurazione sul punto di carico (point-of-load), dove sensori basati su shunt, come gli amplificatori di rilevamento della corrente bidirezionali e ad altissima precisione INA228 e INA226, possono monitorare il flusso di corrente e i livelli di tensione attraverso un nodo particolare per garantire che il nodo resti all’interno del suo campo di esercizio sicuro.

L’implementazione del monitoraggio telemetrico

A mano a mano che aumenta l’elettrificazione delle applicazioni, crescono anche i requisiti per il monitoraggio con lo scopo di tracciare sia il consumo per le valutazioni energetiche sia gli eventi di manutenzione predittiva.

Un esempio di monitoraggio o monitoraggio telemetrico per la manutenzione predittiva è tramite i dati per la registrazione dei livelli di corrente e tensione che passano per le ventole di raffreddamento in sistemi di server in rack. Utilizzando un dispositivo come l’INA232 è possibile registrare i dati del consumo di potenza della ventola. Il logging dei dati permette al sistema di avvertire i tecnici in caso di comportamento irregolare delle ventole o se le ventole si avvicinano a fine vita.

Lo sfruttamento del monitoraggio digitale della potenza è un utile metodo di impiego del dispositivo per questo caso d’uso, in quanto acquisisce informazioni sia sulla tensione del bus sia sul flusso di corrente. I circuiti integrati per il monitoraggio digitale della potenza eseguono calcoli aritmetici su scheda per calcolare la potenza, la carica e l’energia, trasmettendo queste informazioni (oltre alla tensione del bus e ai dati del flusso di corrente) tramite l’I2C o tramite interfaccia periferica seriale. L’esecuzione dei calcoli aritmetici sul chip rimuove il carico dei processi dalla CPU o dal microcontroller, permettendo quindi di sfruttare le risorse di elaborazione per la gestione di altre attività con maggiore efficacia. Questo aspetto è particolarmente importante in quei sistemi in cui la CPU o il microprocessore devono gestire molte attività.

La riduzione dei fattori di forma

Sono sempre di più le applicazioni che comprendono un maggior numero di componenti elettronici o che devono adattarsi a spazi più ristretti: pertanto, aumenta la necessità di ridurre le dimensioni di componenti o di aumentare il numero di caratteristiche per unità al fine di contribuire a ridurre la superficie complessiva della scheda. Molti sistemi, come gli smartphone e i sistemi per la robotica, presentano vincoli dimensionali e richiedono una costante riduzione delle dimensioni e un aumento dei set di funzionalità.

Dispositivi più piccoli per il rilevamento della corrente permettono ai progettisti di aumentare la quantità di funzioni di monitoraggio nel complesso o ridurre le dimensioni complessive del sistema. Entrambi i casi potrebbero essere vantaggiosi a seconda dei parametri complessivi del sistema: la riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati (IC) o l’aumento del numero di funzionalità per unità si traducono entrambi in un aumento delle densità di funzionalità, consentendo quindi di realizzare dispositivi elettronici personali più potenti, caricabatterie di bordo e sistemi di azionamento per motore elettrico per piccoli robot collaborativi.

Lo sfruttamento di circuiti integrati estremamente piccoli o di chip ad alto contenuto di funzionalità può spianare la strada verso sistemi di minori dimensioni. Un esempio è la EZShunt Technology che integra la resistenza shunt con il telaio conduttivo per ridurre il fattore di forma complessivo della soluzione di rilevamento della corrente. Sono disponibili inoltre varie opzioni per il package del chip, come il WCSP (wafer-chip scale package), che permette al progettista di ridurre le dimensioni del sistema senza sacrificare le prestazioni o le funzionalità. L’INA700 sfrutta sia la EZShunt Technology sia il WCSP per offrire una soluzione di rilevamento della corrente estremamente piccola. L’INA780A utilizza la EZShunt Technology con un package di tipo QFN.