Преобразователи тока – верное решение. Применение датчиков холла

При проведении измерений в автомобильной электрике часто приходится снимать осциллограммы величин тока. Другими словами, не просто измерять, а подробно изучать. Классически для таких целей используются токовые трансформаторы или резисторы. Однако последние имеют частотные ограничения и влияют на изучаемую схему. Токовой датчик, основанный на регуляторе Холла, призван решить эту проблему.

Все бы хорошо, но стоят такие датчики недешево. Если же суметь собрать такой вариант своими руками, то можно неплохо сэкономить. Чтобы суметь изготовить модель собственного производства, можно использовать несколько эффективных схем.

Схема на микросхеме 711

ВНИМАНИЕ! Найден совершенно простой способ сократить расход топлива! Не верите? Автомеханик с 15-летним стажем тоже не верил, пока не попробовал. А теперь он экономит на бензине 35 000 рублей в год!

ACS 711 – тот самый чип, благодаря которому удастся изготовить токовый датчик или ТД на основе ДХ (датчика Холла). ЧД такого датчика будет равен почти 100 кГц, что будет вполне эффективно для проведения измерений.

Микросхема этого типа имеет выход, который интегрируется с усилителем. Последний, в свою очередь, за счет своей оперативности способен увеличивать возможности схемы вплоть до 1 А/В.

Что касается питания, то напряжение на усилитель поступает за счет применения внутреннего источника 2-полярного типа. Это может быть вариант NSD10 либо какой-нибудь другой. Сама микросхема питается уже посредством стабилизатора, имеющего выход с напряжением 3,3 В.

Проверенный «бюджетный» вариант

Вот, что надо предпринять для изготовления такого варианта:

• в ферритовом кольце пропилить канавку по толщине корпуса;
• на эпоксидный клей посадить МС;
• сделать определенное количество витков на кольце (кол-во витков будет зависеть от конкретного напряжения);
• в итоге получится бесконтактный вариант реле, функционирующий на электромагнитной основе.

Точность срабатывания такого ДТ и регулярность достаточно высокая. Единственным недостатком схемы можно назвать кол-во витков, определяемых чисто эмпирически. На самом деле расчетов конкретного типа нигде и нет. Приходится определять число витков для конкретного сердечника.

Готовый ДТ MLX91206

Кумулятивная схема, где используется тончайший слой ферромагнитоструктуры или ИМС. Последний выступает в качестве коммутатора магнитполя, обеспечивая тем самым, высокое усиление и наладку эквивалентности шумосигнала. Более актуален этот вариант ДТ для измерения постоянно-переменного напряжения до 90 кгц с изоляцией омического свойства, что характеризуется незначительными внедряемыми потерями и малым временем отклика.

Кроме того, из преимуществ можно выделить простоту сборки и маленькие размеры фюзеляжа.

ДТ MLX91206 – это регулятор, который пока удовлетворяет спрос в автопромышленности. Помимо этого, ДТ этого типа применяется в других источниках питания: для защиты от перегрузки, в двигательных системах и т.д.

Чаще всего ДТ на микросхеме MLX91206 применяется в гибридных автомобильных системах, как автоинверторы.

Интересно и то, что датчик этот оснащен качественной защитной системой от перенапряжения, что позволяет использовать его в качестве отдельного регулятора, интегрированного к кабелю.

Принцип функционирования датчика подобного типа основан на преобразовании магнитполя, возникаемого от токов, проходящих сквозь проводник. Схема не имеет верхнего ограничения измеряемого уровня напряжения, так как выход и его параметры в данном случае зависят от проводникового размера и непосредственной дистанции от ДТ.

Что касается отличий этого типа ДТ от аналогичных:

1. Скорость аналогового выхода, которая выше (этому способствует ЦАП 12 бит).
2. Наличие программируемого переключателя.
3. Надежная защита от переплюсовки и перенапряжения.
4. Выход ШИМ с разрешением АЦП 12 бит.
5. Большущая полоса пропускания, параметры которой равны 90 кГц и многое другое.

Одним словом, ДТ этого типа является компактным и эффективным датчиком, изготовленным по технологии Триасис Холл. Технология подобного типа считается классической и традиционной, она чувствительна к плотности потока, который приложен четко параллельно поверхности.

Измерения, которые удается провести с помощью готового датчика, изготовленного по технологии Триасис Холл, делятся на измерения небольшого напряжения до 2 А, тока средн. величины до 30 А и токов до 600 А (больших).

Рассмотрим подробнее возможности этих измерений.

• Малые токи измеряются с помощью датчика за счет повышения параметров магнитполя через катушку вокруг ДТ. В данном случае чувствительность измерения будет обусловлена габаритами катушки и кол-вами витков.
• Токи в диапазоне до 30 А или средние токи измеряются с учетом допустимости напряжения и общей рассеиваемости мощности дорожки. Последние обязаны быть довольно толстыми и широкими, иначе непрерывной обработки среднего тока достичь не удастся.
• Наконец, измерение больших токов – это использование медных и толстых дорожек, способных приводить напряжение на обратной стороне печатной платы.

ДТ на эффекте Холла: общий взгляд

Что такое эффект Холла? Как известно, это явление основано на том, что если поместить в магнитное поле какой-либо полупроводник прямоугольного типа, и пропустить сквозь него напряжение, то на краях материала обязательно возникнет электрическая сила, направленная перпендикулярно магнитному полю.

Именно по этой причине магнитный датчик принято называть ДХ в честь ученого Холла, которому удалось первым раскрыть этот самый эффект.

Что дает этот самый эффект в автомобильной электрике? Все просто. Когда к ДХ подносится напряжение, то на краях пластины (она бывает расположена внутри ДХ) возникает разность потенциалов, и дается значение, пропорциональное СМП (силе магнитного поля).

Таким образом, в автомобильной сфере удалось использовать бесконтактные элементы, значительно лучше показавшие себя на практике, чем детали, оснащенные контактными группами. Последние приходилось регулярно чистить, ремонтировать, менять.

Бесконтактные ДХ успешно контролируют, например, скорость вращения валов, широко используются в системах зажигания, применимы в тахометрах и АБС.

Для измерений силы тока в различных электрических цепях с помощью микросхемы АС712 это удается сделать. Эффект Холла в данном случае оказывает неоспоримую помощь. Таким образом, удается изготавливать датчик или регулятор электрического тока на ДХ.

Подобные датчики позволят измерять силу не только постоянного, но и переменного тока, получать значения в млА.

Как правило, модуль с микросхемой АС712 функционирует строго от 5В, зато позволяет измерять максимальный уровень тока до 5 А. При этом напряжение должно быть выставлено в пределах значений от 2 квт.

Вообще, ДТ применяются повсеместно в электротехнике для создания коммуникаций обратной связи. В зависимости от конкретного места функционирования, ДТ классифицируются на несколько видов. Известны резистивные ДТ, токово-трансформаторные, ну и конечно, ДТ на эффекте Холла.

Нас интересуют ДТ на эффекте Холла. Они еще называются открытыми регуляторами или приборами с выходным сигналом по напряжению. Предназначение их: бесконтактным способом измерять переменный, постоянный и импульсный ток в диапазонах от плюс/минус 57 до плюс/минус 950 Ампер при в.о. 3 млс.

Выходное напряжение ДТ бывает четко соизмерно вычисляемым параметрам тока. 0-е значение напряжения равняется половинной величине тока питания. Тем самым, диапазон выхода тока составляет 0,25-0,75 В.

Настройку чувствительности ДТ легко провести методом трансформации числа витков тестируемого проводника по кругу магнитопровода регулятора.

Корпус ДТ обязан быть устроен из прочного РВТ пластика.

РВТ пластик – это пластиковый материал, получаемый посредством однородного сваривания.

Что касается жестких выводов корпуса ДТ, то их бывает 3. Предназначены они для пайки на плату.

Цепь выхода ДТ – пара комплектарно-биополярных транзисторов. Другими словами, это не что иное, как полупроводниковый прибор, в котором сформировано два перехода, а перенос заряда осуществляется носителями 2-х полярностей или иначе – электронами и квазичастицами.

ДТ на эффекте Холла бывают также оригинального и неоригинального производства. Первые выделяются привлекательным дизайном, надежны и способны давать высочайшую точность показаний. А вот ДТ неоригинального производства таких параметров не имеют, хотя тоже способны предоставить свои преимущества. К ним относится разборный корпус и низкая стоимость.

Внимание. Если ДТ легко разбирается путем вывинчивания 4-х винтиков, то перед вами не оригинальный прибор.

Разборка корпуса оригинального ДТ обязательно приведет к неудаче, так как они изготовлены в закрытом варианте. Конечно, можно постараться и добраться до внутренностей, однако это обязательно приводит к поломкам. Корпус таких приборов запаян со всех сторон, по всем стыкам.

Для сравнения внутренностей заводского ДТ и последующего собирания самодельной схемы рекомендуется воспользоваться, как и было написано выше, неоригинальным устройством. Например, пусть это будет китайский ДСТ-500. Он легко разбирается, схема срисовывается на ура, так как она простая, не содержит сложных заковырок.

Что касается функционирования, то она одинакова во всех типах ДТ:

• силовой проводник под напряжением идет через магнитопровод;
• образуется циклотронное поле;
• ток идет по выравнивающей обмотке магнитопровода, чтобы стабилизировать поле;
• компенсируемое напряжение должно быть ровно пропорционально напряжению в сил. проводнике.

Помимо этого, для компенсирования магнитпровода датчика, требуется измерять величинные и знаковые значения ДТ. Для этих целей в магнитопроводе следует прорезать отверстие, через которое, собственно говоря, и вставляется датчик Холла. Сигнал прибора будет форсироваться, снабжать мощностный эндотрон, выход которого интегрирован со стабилизирующей обмоткой.

Данным образом, основной целью подобной схемы станет пропуск такой доли напряжения сквозь обмотку, которая бы воздействовала на магнитное поле так, чтобы в разрыве магнитопровода значение приближалось к 0.

В целой зоне измеряемого напряжения при этом сохранится ювелирная точность КПД соизмеримости. Для измерения точного напряжения компенс. обмотки используется низкоомный резистор-прецизион. Величина падения тока на таком резисторе будет равна значению напряжения в силовой цепи.

ДТ подобного типа можно легко изготовить своими силами. Потребность в таких регуляторах постоянно растет, стоят они, как и говорилось, недешево.

Датчик Холла в конкретном случае желательно использовать специфический, бескорпусный. Установить его можно на узкую полоску тонкого фольго-стеклотекстолита. Под ним должно быть предусмотрено посадочное углубление, где он будет посажен на эпоксидный клей очень плотно.

Внимание. Толщина полоски текстолита в 0,8 мм будет считаться нормальной, так как зайдет в зазор без излишнего трения о стенки и без эффекта болтания.

ДТ — эталонная установка для вычисления напряжения высоковольтажного пульсара питания. Например, ток, потребляемый стартером или генератором. И с помощью датчика Холла осуществить это удается, используя всего лишь одну микросхему.

Напоследок интересное видео про датчик тока на основе датчика холла

Содержание:

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Классификация датчиков

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

• Датчики постоянного тока
• Датчики амплитуды переменного тока
• Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными - непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Современные датчики тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Основные виды датчиков тока:

Датчики прямого усиления (O/L) . Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip . Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta) . Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L) . Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip , происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С) . Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME . Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами. Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Датчики тока (тип IT) . Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

Для правильной, надежной и безотказной работы современных изделий силовой и не очень электроники очень важно правильно определять величины и формы как напряжений, так токов, действующих в устройстве. От выбора такого, казалось бы, простого элемента, как измеритель электротока или напряжения, может зависеть и судьба проекта, и финансовые успехи или неудачи при эксплуатации, и даже жизни людей. Одним из самых подходящих для таких измерений (в дальнейшем, мы будем стараться использовать термин «преобразование», так как ООО «Лаборатория ДТиН» поддерживает мнение, что датчики по определению не являются измерительными приборами) вариантом являются измерители, работа которых основана на эффекте Холла. Преимуществом этих преобразователей являются отсутствие потерь энергии в контролируемой цепи, гальваническая развязка между входной и выходной цепями, быстродействие, способность работать в широком диапазоне температур и питающих напряжений, возможность непосредственного сопряжения с различными устройствами контроля и управления.

Точность измерителей электротока на эффекте Холла находится в пределах от 0.2 до 2 процентов и зависит, прежде всего, от примененной в конструкции прибора схемотехники. Они широко применяются в различных электроустановках, как правило, в цепях защиты, контроля и управления, но, например, в силу ряда ограничений практически никогда не применяются для коммерческого учета электроэнергии. Подобные преобразователи электрических сигналов можно найти и в современном сварочном аппарате, и в системе управления лифтом, и в автомобиле, работа железнодорожного транспорта немыслима ныне без этих устройств. Приборы, работающие на эффекте Холла, могут преобразовывать как переменный, так и постоянный электроток. Несмотря на то, что часто их называют «трансформатором тока», этот факт является их главным отличием и преимуществом.

Эффект Холла был обнаружен более 130 лет назад, американским ученым Эдвином Холлом, в ходе экспериментов с магнитными полями. С тех пор этот эффект описан многократно в самой разнообразной литературе. Основан он на появлении поперечной разности электрических потенциалов у проводника с постоянным током, находящегося в магнитном поле.

На что нужно обратить внимание при выборе прибора для измерений показателей

1. Напряжение питания. Для промышленных измерительных приборов используется, как двуполярное (±12В, ±15В, ±18В, ±24В.), так и однополярное (+5, 12, 24 В.) питание. Выбор его зависит как от возможностей и потребностей разработчика, так и от условий сопряжения с блоками контроля и управления.
2. Точность преобразования. Как мы уже упоминали, существующие измерители, работающие на эффекте Эдвина Холла обладают точностью от 0.2 до 2 процентов при этом этот параметр, как правило, определяется тем, как построен сам измеритель — по схеме прямого усиления или компенсационной, со 100% обратной связью. Как и в большинстве случаев, более точный измерительный прибор компенсационного типа на один и тот же номинальный электрический ток стоит дороже своего собрата, собранного по схеме прямого усиления, как правило, имеет большие габариты и однозначно большее потребление электротока от источника питания. Плюсами его будут не только большая точность, которую мы уже упоминали, но лучшие линейность и помехозащищенность.
3. Диапазон преобразования. Такие конструкции способны преобразовывать входной сигнал в пропорциональный выходной или соответствующий цифровой сигнал силой тока от нескольких сот миллиампер до нескольких тысяч Ампер. Разумеется, подобный механизм на 10кА и больше, дороже своего собрата на 25А
4. Корпус. Данные агрегаты могут иметь различные типы корпусов. Существуют варианты для установки на печатную плату, шасси или ДИН-рейку.
5. Температура, при которой данные модули способны исправно работать. Так, пониженная рабочая температура для измерительных приборов, работающих с током и напряжением, как правило, −40 C, но существуют изделия, сохраняющие работоспособность и при −50, и даже −55C. Повышенная рабочая температура для большинства современных изделий достигает +85C, существуют образцы, работающие и при +105C.

Классификация преобразователей по принципу построения.

1. Преобразователь прямого усиления. Достоинства — компактные размеры, небольшое энергопотребление, возможность работать с электросигналами от единиц ампер до десятков килоампер, невысокая цена. Применяются для работы с сигналами в диапазоне частот от постоянного тока до 25, реже 50 кГц. Ошибка преобразования и нелинейность в пределах единиц процентов. Этот вид изделий имеет высокую перегрузочную способность, относительно недороги и компактны.
2. Измерители со 100% обратной связью, так же известные как «компенсационные», или «датчики с нулевым магнитным потоком». Как видно из названия, главным отличительным признаком его является наличие контура, замкнутого по магнитному потоку. Применяются такие устройства для преобразования первичного сигнал от сотен миллиампер до десятков килоампер, любой формы и частоты, начиная от постоянного тока и заканчивая на уровне 100-150-200 кГц. Компенсационные преобразователи данных сигналов отличаются лучшими точностью, линейностью, устойчивостью к внешним магнитным полям. Диапазон преобразования у этих инструментов ниже, чем у конструкций прямого усиления
3. Датчик напряжения. Разновидность компенсационного устройства прибора преобразователя электросигналов, отличающаяся наличием встроенной первичной обмотки с большим количеством витков. Измерение напряжения происходит путем преобразования небольшого первичного сигнала (как правило, при номинальном напряжении его значение 5 или 10 мА, выбор зависит от разработчика), задаваемого включенным последовательно с первичной катушкой резистором, в пропорциональный выходной сигнал. Данные аппараты отличаются достаточно широким диапазоном входных напряжений, но имеют ограничения по частоте входного сигнала, так как первичная обмотка обладает существенной индуктивностью.
4. Относительно новый тип преобразователя — интегральный, является развитием схемы прямого усиления. Достоинство — малые габариты, невысокая цена. За время с момента появления в 1879 году и до сегодняшнего дня аппараты, работающие на эффекте, открытом Эдвином Холлом изменились очень и очень заметно. Увеличились точность, надежность, существенно улучшилась температурная стабильность, неуклонно уменьшаются габариты и цены этих механизмов. Все эти улучшения стали возможны как в результате развития технологий в производстве электронных компонентов, так и в результате новых требований, предъявляемых к этому классу изделий. Все большее и большее применение находится им в современной жизни, насыщенной электронными и электрическими устройствами.

Современная промышленность выдвигает особые требования к надежности и стабильности работы преобразователей электрических данных, применяемых для контроля работы и управления сложнейшими системами. Это вынуждает продолжать совершенствовать конструкцию приборов, улучшая их технические характеристики, делая более и более надежными, простыми и удобными в применении.

Как правило, начинающий разработчик впадает в крайности, закладывает точность не хуже 0.1%, и частотную характеристику от 100кГц и потом долго удивляется тому, что предложенное ему решение стоит денег, сопоставимых с ценой половины, а то и всей его разработки. В большинстве современных применений за счет улучшения параметров силовых полупроводников точности в 1-2% оказывается более чем достаточно, и ключевым фактором в выборе преобразователей становится надежность и стабильность работы, но эти вопросы не связаны напрямую со схемотехникой и достойны отдельного рассмотрения.

Измерительная техника

Датчик тока на элементе Холла

Функциональная схема датчика тока компенсационного типа приведена на рис. 1 Чувствительный к магнитному полю элемент Холла находится в зазоре кольцевого магнитопровода.

Измеряемый ток Iизм, протекая по обмотке I. создает в магнитопроводе магнитный поток, наводящий в чувствительном элементе Холла ЭДС пропорциональную этому току. Снятый с элемента сигнал после усиления поступает на компенсационную обмотку II Протекающий по ней ток Iк создает в магнитопроводе магнитный поток противоположного направления. Магнитная система, элемент Холла и усилитель образуют петлю отрицательной обратной связи, поддерживающую равенство

где W1 и W|| - число витков обмоток I и II Включенный последовательно с обмоткой II резистор R1 преобразует компенсирующий ток в выходное напряжение датчика. Если выбрать сопротивление этого резистора в омах численно равным отношению числа витков обмотки II

к числу витков обмотки I то выходное напряжение в вольтах станет численно равным измеряемому току в амперах

Габаритный чертеж использованного в датчике элемента Холла ДХК-0.5А изображен на рис. 2 Напряжение Холла, пропорциональное управляющему току и индукции магнитного поля, измеряют между выводами +U и -U. Чувствительность элемента при номинальном значении управляющего тока 3 мА (втекающего в вывод +I и вытекающего из вывода -I) - 280 мВ/Тл. Указанные полярность напряжения и направление тока соответствуют вектору магнитной индукции В, направленному, как показано на рис. 2 стрелкой. Остаточное выходное напряжение (в отсутствие магнитного поля) не превышает 7 мВ Входное сопротивление (между выводами I) - 1,8...3 кОм, выходное (между выводами U) - не более 3 кОм.

Если имеется элемент Холла неизвестной чувствительности, ее можно определить экспериментально, поместив элемент в воздушный зазор длиной d любого магнитопровода на котором намотано известное число витков W любого провода К "токовым" выводам элемента подключают источник управляющего тока, а к двум другим - милливольтметр. По обмотке пропускают постоянный ток I. Чувствительность (мВ/Тл) - частное от деления показаний милливольтметра на магнитную индукцию, вычисленную по формуле

Схема датчика тока показана на рис. 3 Магнитная система изображена на ней как трансформатор Т1, в зазор магнитопровода которого вставлен элемент Холла В1. Усилитель собран на ОУ DA1 и транзисторах VT2, VT3. Стабилизатор тока на транзисторе VT1 задает протекающий через элемент Холла управляющий ток.

Для питания датчика необходим биполярныи источник постоянного напряжения +/-15 В Основной потребитель его энергии - обмотка II трансформатора Т1. В описываемой конструкции обмотки намотаны на ферри-товом кольце от блока питания компьютера. Обмотка II - 1000 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0.15 мм Поверх нее намотана обмотка 1 - 10 витков изолированного монтажного провода сечением 0,35 мм2. В кольце сделан воздушный зазор длиной 2 мм - она равна толщине вклеиваемого в зазор элемента Холла

Необходимо отметить что магнито-провод не обязательно должен быть ферритовым, он может быть изготовлен из любого ферромагнитного материала Оптимальная площадь сечения магнитопровода - 10...12 мм2. Стремиться к увеличению сечения не следует Это приведет к возрастанию длины витков компенсационной обмотки и, следоватепьно. ее сопротивления По этой же причине для компенсирующей обмотки следует выбирать провод возможно большего диаметра.

Изготовленный датчик изображен на рис. 4, а его передаточная характеристика - на рис. 5 Она была снята при измерении синусоидального тока частотой 50 Гц. По осям графика отложены эффективные значения тока и напряжения В приборе отсутствовал резистор R4. что обеспечило коэффициент преобразования тока в напряжение 1 В/А, постоянный в интервале значений измеряемого тока 0,25...6 А.

Нарушение линейности характеристики при малом токе объясняется тем, что усилитель мощности на транзисторах VT2 и VT3 работает в классе В без начального смещения. Причина нелинейности при больших значениях тока - ограничение сигнала в ОУ К140УД7, в результате чего форма компенсирующего тока уже не совпадает с формой измеряемого и полноценной компенсации магнитных потоков в магнитопрово-де не происходит.

Установив параллельно резистору R3 такой же резистор R4, удалось сделать характеристику линейной при измерении тока до 10 А. Однако коэффициент преобразования уменьшился до 0,5 В/А.

Современные датчики тока подразделяются на следующие типы:
— резистивные датчики (токовые шунты);
— датчики тока на эффекте Холла;
— трансформаторы тока;
— волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея;
— пояс Роговского;
— токовые клещи
Каждый обладает своими достоинствами и недостатками, которые и ограничивают сферу его применения.

да

	Токоизмерительные резисторы	Трансформаторы тока	Датчики Холла
Измеряемый ток	Постоянный	Переменный	Постоянный и переменный
Диапазон измеряемого тока	До 20 А	До 1000А	До 1000А
Погрешность измерений	1%	5%	10%
Гальваническая развязка	нет	есть	есть
Вносимые потери	есть	есть	Нет
Частотный диапазон	100 кГц	50/60/400 Гц	200 кГц
Относительная стоимость	низкая	высокая	средняя
Требуют внешний источник питания	нет	нет

Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения. Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты. Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности, широкий диапазон частот. Недостатком является необходимость внешнего источника питания и зависимость от температуры.

Датчики тока Allegro Microsystems

Компания Allegro Microsystems специализируется на разработке и производстве аналого-цифровых силовых микросхем и датчиков тока на основе эффекта Холла. Для диапазона 5-200 А предлагаются интеллектуальные микросхемы, а для диапазона до 1000 А и выше - линейные микросхемы с дистанционным измерением тока. Датчики работают в расширенном диапазоне температур, что позволяет использовать их в жестких условиях эксплуатации.
Основными областями применения являются системы автомобильной и силовой электроники, промышленная автоматика, аппаратура общего применения.

Принцип работы

Датчики состоят из очень точного линейного датчика Холла, интегрированного на кристалл микросхемы, и медного проводника, размещенного близко к кристаллу. Электрический ток, протекая через проводник, создает магнитное поле, которое фиксируется датчиком Холла и преобразуется в напряжение, пропорциональное значению входного тока.

Корпуса датчиков

Для производства датчиков на 5-200 А применяется flip chip технология, которая предоставляет ряд значительных преимуществ для разработчика:
— повышенная чувствительность, датчик Холла расположен очень близко к проводнику тока
— высокая гальваническая изоляция, до 3600 В rms в течение 60 секунд
— низкое сопротивление первичной цепи, менее 1 мОм, снижение потерь мощности
— стандартные корпуса для поверхностного монтажа.

Датчики на диапазон 50-200 А выпускаются в корпусе собственной разработки - СВ. Этот корпус включает медный проводник и аналоговый датчик Холла и позволяет измерять постоянный ток до 200 А и импульсный до 1200 А. Датчики калибруются при производстве, выдерживают напряжение пробоя до 4800 В rms в течение 60 секунд, обеспечивают изоляцию до 700 В и усиленную изоляцию до 4500 В. Сопротивление проводника составляет 100 мОм, поэтому микросхемы имеют сверхнизкую потерю мощности при измерении максимального тока.

Термокомпенсация

В датчиках тока используется запатентованная технология цифровой термокомпенсации, которая позволяет значительно улучшить как погрешность чувствительности и выходного напряжения в рабочей точке. Оба параметра измеряются на этапе финального тестирования в двух режимах: при комнатной температуре и при 85…150°С. Эти данные хранятся в EEPROM памяти. В результате датчики Allegro имеют суммарную погрешность ±1% в диапазоне 25…150°С. Такая калибровка на последней стадии производства устраняет необходимость в температурной калибровке после монтажа на печатную плату.

Применение датчиков тока в электроприводе

Датчики тока Allegro могут применяться в нескольких узлах электропривода благодаря наличию гальванической развязки и хорошим параметрам скорости dV/dt.
Они могу использоваться для измерения постоянного тока шины (1), тока фазы (2) или на тока нижнего уровня.

Гальваническая изоляция позволяет использовать датчики Allegro для измерения тока фазы двигателя напрямую. Это упрощает блок управления и уменьшает шумы. Датчики ACS710, ACS711 и ACS716 имеют выходы ошибки, которые можно использовать для обнаружения короткого замыкания или других явлений, вызванных высоким током.
Основные датчики тока для электропривода:

Датчики тока в усилителях мощности

Правильное управление усилителем мощности в базовой станции или портативном радиоприемнике - основа для правильного компромисса между выходной мощностью и КПД.
Ток смещения - это ключевой параметр для контроля на большинстве выходных каскадов, поэтому компания Allegro предлагает несколько датчиков тока для решения данной задачи.

ACS711	Датчик тока 100 кГц в корпусе QFN/SOIC
ACS712	Датчик тока 80 кГц в корпусе SOIC

Преимущества датчиков тока Allegro

— возможность измерения постоянного тока, переменного тока и их комбинаций;
— малые потери энергии и, как следствие, малое выделение тепла, уменьшенные габариты и возможность контролировать большие токи;
— встроенная гальваническая развязка

Высокая точность, гальваническая изоляция измерительной схемы, термостабильность и малые габариты делают датчики хорошим решением для применения в преобразовательной технике, бытовой, автомобильной и промышленной электронике.

Датчики на 0-50 А

3000 SOICW-16 ACS716

Серия	Тип датчика	Напр-е питаия, В	Диапазон измерений, А	Напр-е изоляции, Вrms	Полоса пропускания, кГц	Темп. диапазон*	Тип корпуса
ACS709	Двунапр.	3.3, 5	±12 to 75	2100	120	L	QSOP-24
ACS710	Двунапр.	5	±12 to 75	120	K
ACS711	Двунапр.	3.3	±12.5 to 25	<100 В пост.тока	100	E, K	SOIC-8, QFN-12
ACS712	Двунапр.	p>5	±5 to 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS713	Однонапр.	5	20 to 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS714	Двунапр.	5	±5 to 30	2100	80	E, L	SOIC-8
ACS715	Однонапр.	5	20 to 30	2100	80	E, L	SOIC-8
Двунапр.	3.3	±75	3000	120	K	SOICW-16
ACS717	Двунапр.	3.3	±10 to 20	4800	40	K	SOICW-16
ACS718	Двунапр.	6	±10 to 20	4800	40	K	SOICW-16
ACS764	Однонапр.	3.3	16 or 32	<100 В пост.тока	2	X	QSOP-24

Датчики тока 50-200 А

*Условное обозначение температурного диапазона:
Е = -40…85°C
K = -40…125°C
L = -40…150°C
S = -20…85°C

Система обозначений
ACS758 L CB TR -100 B-PFF-T
1 2 3 4 5 6 7
1. Серия
2. Температурный диапазон:
Е = -40…85°C
K = -40…125°C
L = -40…150°C
S = -20…85°C
3. Тип корпуса:
СВ - корпус СВ
LC - SOIC-8
4. Упаковка:
не обознач. - в пенале
TR - на ленте
5. Диапазон измеряемого тока, А
6. Тип датчика: В - двунаправленный, U - однонаправленный
7. Модификация корпуса для датчиков 50-200А, состоит из 3-буквенного обозначения:
Первая буква - пластиковый корпус
Вторая буква - токовый проводник, S - прямой, F - изогнутый
Третья буква - выводы, S - прямые, F - угловые

Дополнительная информация