Измерение тока на эффекте Холла:конфигурации с разомкнутым и замкнутым контуром

Изучите основы датчиков тока на эффекте Холла в этой технической статье.

Датчики тока широко используются в самых разных приложениях. Распространенным методом является измерение резистивного тока, когда падение напряжения на шунтирующем резисторе измеряется для определения неизвестного тока. Решения на основе шунтирующих резисторов не обеспечивают гальваническую развязку и не являются энергоэффективными, особенно при измерении больших токов.

Другой широко используемый метод основан на эффекте Холла. Датчик тока на эффекте Холла обеспечивает более высокий уровень безопасности благодаря гальванической развязке между датчиком и измеряемым током. Это также позволяет избежать значительного рассеивания мощности шунтирующим резистором, используемым в методах измерения резистивного тока.

В этой статье мы познакомимся с основами датчиков тока на эффекте Холла.

Измерение тока разомкнутого контура

Структура датчика тока разомкнутого контура на основе эффекта Холла показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Изображение предоставлено Dewesoft

Измеряемый ток протекает через проводник внутри магнитопровода. Таким образом, ток создает магнитное поле внутри сердечника. Это поле измеряется датчиком Холла, помещенным в воздушный зазор сердечника.

Выходной сигнал датчика Холла - это напряжение, пропорциональное магнитному полю сердечника, которое также пропорционально входному току. Сигнал, создаваемый устройством Холла, обычно обрабатывается схемой преобразования сигнала. Схема преобразования сигнала может представлять собой простой каскад усиления или более сложную схему, предназначенную для устранения ошибки дрейфа устройства Холла и т. Д.

Зачем нам магнитный сердечник?

Предположим, что магнитопровода нет. Магнитное поле на расстоянии r от бесконечно длинного прямого проводника, по которому проходит электрический ток I, определяется выражением:

\ [B =\ frac {µ_0I} {2 \ pi r} ~, ~ µ_0 =4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} \ frac {H} {m } \]

где µ ₀ - проницаемость свободного пространства. Для I =1 А, r =1 см получаем:

\ [B =2 \ times 10 ^ {- 5} ~ Тесла =0,2 ~ Гаусс \]

Чтобы понять, насколько мало это магнитное поле, обратите внимание, что магнитное поле Земли составляет около 0,5 Гаусса. Следовательно, очень сложно измерить ток 1 А путем измерения магнитного поля, которое он создает в свободном пространстве. Чтобы решить эту проблему, мы можем использовать магнитный сердечник для ограничения и направления магнитного поля, создаваемого током. Сердечник обеспечивает путь высокой проницаемости для магнитного поля и действует как концентратор поля. Магнитное поле внутри сердечника может быть в сотни или тысячи раз больше, чем то, которое данный ток может создать в свободном пространстве.

Воздушный зазор

Как показано на рисунке 1, магнитопровод имеет воздушный зазор, в котором размещен датчик Холла. Воздушный зазор может привести к явлению окаймляющего потока, когда некоторые силовые линии отклоняются от своего прямого пути и, следовательно, не проходят через датчик, как ожидалось. Этот эффект окантовки показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Изображение предоставлено Р. Джезом

Из-за эффекта окантовки плотность магнитного потока, воспринимаемая устройством Холла, может быть меньше, чем плотность магнитного потока внутри сердечника. Другими словами, воздушный зазор может снизить эффективность сердечника по преобразованию первичного тока в сильное магнитное поле. Однако, если длина зазора мала по сравнению с площадью поперечного сечения зазора, эффект окантовки может быть относительно небольшим.

Нам нужен воздушный зазор, чтобы можно было измерить магнитное поле внутри сердечника. Кроме того, воздушный зазор позволяет изменять общее сопротивление сердечника. Обратите внимание, что сильный ток может создать сильное магнитное поле внутри сердечника и насытить его. Это может ограничить максимальный измеряемый ток. Регулируя длину воздушного зазора, мы можем изменить уровень насыщения сердечника. На рисунке 3 показано, как измеренная плотность магнитного потока изменяется в зависимости от длины воздушного зазора для данного сердечника.

Рисунок 3. Изображение предоставлено Allegro

С меньшими воздушными зазорами мы можем достичь большего магнитного усиления (Гаусс на ампер). Однако меньший воздушный зазор может вызвать насыщение сердечника при относительно меньшем токе. Следовательно, длина промежутка напрямую влияет на максимальный измеряемый ток. Помимо длины зазора, есть другие факторы, такие как материал сердечника, размеры сердечника и геометрия сердечника, которые определяют эффективность магнитного сердечника. Для получения дополнительной информации о сердечниках, подходящих для сильноточных приложений (> 200 А), обратитесь к этому примечанию по применению от Allegro.

Ограничения измерения тока разомкнутого контура

В конфигурации с разомкнутым контуром неидеальные эффекты, такие как линейность и ошибки усиления, могут повлиять на точность измерения. Например, если чувствительность датчика изменяется в зависимости от температуры, на выходе появится ошибка, зависящая от температуры. Кроме того, при измерении тока без обратной связи сердечник подвержен насыщению. Более того, смещение датчика Холла, а также коэрцитивная сила сердечника могут вносить вклад в ошибки.

Измерение тока в замкнутом контуре

Метод измерения тока на эффекте Холла с обратной связью показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Изображение предоставлено Cheemi-Tech

Как следует из названия, этот метод основан на концепциях отрицательной обратной связи. В этом случае есть вторичная обмотка, которая приводится в действие выходом тракта обратной связи. Путь обратной связи определяет магнитное поле внутри сердечника и регулирует ток через вторичную обмотку так, чтобы полное магнитное поле сердечника стало равным нулю. Посмотрим, как работает эта схема.

Измеряемый ток протекает через первичный проводник и создает магнитное поле внутри сердечника. Это поле измеряется датчиком на эффекте Холла, помещенным в воздушный зазор сердечника. Выходной сигнал датчика Холла, представляющий собой напряжение, пропорциональное магнитному полю сердечника, усиливается и преобразуется в токовый сигнал, который проходит через вторичную обмотку. Система спроектирована таким образом, что ток, проходящий через вторичную обмотку, создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю первичного тока. Если полное магнитное поле равно нулю, мы должны иметь:

\ [N_pI_p =N_sI_s \]

где N _p и N _s - соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток; и я _p и я _s первичный и вторичный токи. На рисунке 4 у нас есть N _p =1 и \ [V_ {out} =R_m \ times I_s \]. Отсюда получаем:

\ [V_ {out} =R_m \ times \ frac {1} {N_s} \ times I_p \]

Это дает нам напряжение, пропорциональное первичному току. Обратите внимание, что коэффициент пропорциональности \ [R_m \ times \ frac {1} {N_s} \] является функцией количества витков и номинала шунтирующего резистора. Число витков является постоянной величиной, и резисторы также очень линейны.

Измерение тока в разомкнутом или замкнутом контуре

Отрицательная обратная связь, используемая в архитектуре с обратной связью, позволяет нам уменьшить неидеальные эффекты, такие как линейность и ошибки усиления. Вот почему, в отличие от конфигурации с открытым контуром, архитектура с обратной связью не подвержена дрейфу чувствительности датчика. Следовательно, конфигурация с обратной связью обеспечивает более высокую точность. Датчик тока с обратной связью более устойчив к насыщению сердечника, поскольку плотность магнитного потока внутри сердечника очень мала.

При измерении с обратной связью вторичная катушка активно приводится в действие мощным усилителем. Дополнительные компоненты, используемые в архитектуре с обратной связью, приводят к увеличению площади печатной платы, более высокому энергопотреблению, а также более высокой цене.

Проблема стабильности - еще один недостаток датчика тока с обратной связью. В конфигурации с обратной связью нам необходимо получить передаточную функцию системы и убедиться, что система стабильна. Нестабильная система может демонстрировать выбросы или звон в ответ на быстрое изменение входного тока. Чтобы сделать замкнутую систему стабильной, нам обычно нужно ограничить ее пропускную способность. Однако уменьшение пропускной способности системы может увеличить время отклика и сделать систему неспособной реагировать на быстрые изменения входных данных. Обычно предполагается, что конфигурация с разомкнутым контуром будет демонстрировать более быстрое время отклика.

Обратите внимание, что смещение датчика Холла может вносить вклад в ошибки как в замкнутой, так и в разомкнутой конфигурациях. Смещение качественного элемента Холла из антимонида индия (InSb) обычно составляет ± 7 мВ.

Современные интегрированные решения

Стоит упомянуть, что современные датчики тока на основе эффекта Холла используют инновационные методы для устранения некоторых из вышеперечисленных ограничений. Например, DRV411 от TI - это ИС формирования сигнала, разработанная для приложений измерения тока с обратной связью, в которой используется метод вращения тока для устранения ошибок смещения и дрейфа элемента Холла. Этот метод показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Текущая техника вращения, используемая в DRV411. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Другой пример - ACS720 [ссылка для скачивания в формате PDF] от Allegro, который разработан для приложений измерения тока без обратной связи. ACS720 использует встроенные алгоритмы температурной компенсации для оптимизации точности по температуре.

Рисунок 6. Блок-схема ACS720. Изображение любезно предоставлено компанией Allegro Microsystems [ссылка для скачивания в формате PDF]

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.