Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

Области применения :

• измерение потребляемого тока в батарейном питании;
• преобразователи солнечной энергии;
• автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.

MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

Отличительные особенности:

• программируемый высокоскоростной датчик тока;
• концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
• защита от перенапряжения и переполюсовки;
• бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
• быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
• программируемый переключатель;
• выход термометра;
• ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
• 17-битный номер ID;
• диагностика неисправной дорожки;
• быстрое время отклика;
• огромная полоса пропускания DC - 90 кГц.

Как датчик работает :

MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais ® Hall . Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall ® чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall ®), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall ® может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции...). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика (<10 мкс.), в то время как выход ШИМ используется для применения там, где требуется низкая скорость при высокой надежности выходного сигнала.

Измерение небольших токов до ±2 A

Небольшие токи могут быть измерены с помощью MLX91206 за счет увеличения магнитного поля через катушку вокруг датчика. Чувствительность (выходное напряжение по сравнению с током в катушке) измерения будет зависеть от размера катушки и числа витков. Дополнительная чувствительность и снижение чувствительности к внешним полям можно получить, добавив экран вокруг катушки. Бобина обеспечивает очень высокую диэлектрическую изоляцию, делая MLX91206 подходящим решением для высоковольтных источников питания с относительными малыми токами. Выход должен быть расширен, чтобы получить максимальное напряжение для больших токов с целью получения максимальной точности и разрешения при измерениях.

Рис.1. Решение для низкого тока.

Средние токи до ±30 A

С помощью одного проводника, расположенного на печатной плате, могут быть измерены токи в диапазоне до 30 А. При трассировке печатной платы необходимо учитывать допустимый ток и общую рассеиваемую мощность дорожки. Дорожки на печатной плате должны быть достаточно толстыми и достаточно широкими, чтобы непрерывно обрабатывать средний ток. Дифференциальное выходное напряжение для этой конфигурации может быть аппроксимировано следующим уравнением:

Vout = 35 мВ/ * I

Для тока 30 А, на выходе будет примерно 1050 мВ.

Рис.2. Решение для средних величин тока.

Измерение больших токов до ±600 A

Другим методом измерения больших токов на печатных платах является использование толстых медных дорожек, способных проводить ток на противоположной стороне печатной платы. MLX91206 должны быть расположены близко к центру проводника, однако, так как проводник очень широкий, выход менее чувствителен к расположению на плате. Эта конфигурация также имеет меньшую чувствительность в зависимости от расстояния и ширины проводника.

Рис.3. Решение для больших величин тока.

О компании melexis

Созданная более десяти лет, компания Melexis разрабатывает и производит продукцию для автомобильной промышленности, предлагая множество интегральных датчиков, ASSPs и СБИС. Решения Melexis чрезвычайно надежны и отвечают высоким стандартам качества, необходимым в автомобильных применениях.

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.

А. Маргелов

Датчики тока на основе эффекта Холла Honeywell позволяют решить множество задач в области силовой электроники, которые связаны с созданием систем обратной связи в электроприводном оборудовании для управления и защиты, а также измерении и контроле постоянного, переменного и импульсного токов в широких пределах с высокой точностью.

Несмотря на то, что в мире существует множество методов измерения тока, только три из них объединяет низкая стоимость и соответственно массовое производство. Среди них известные нам технологии: резистивная на основе токового трансформатора и на основе эффекта Холла. В таблице 1 приведен сравнительных анализ основных характеристик датчиков тока, выполненных с использованием этих трех технологий. Другие методы находят применение лишь в дорогостоящем лабораторном оборудовании.

Резистивный метод с использованием токового шунта является очень распространенным и недорогим. Однако ему свойствены два недостатка: поглощение мощности и, соответственно, нагрев и отсутствие электрической изоляции. Вместе с этим индуктивность большинства мощных резисторов ограничивает частотный диапазон. Низкоиндуктивные мощные шунты для ВЧ-при-ложений более дорогие, но и позволяют работать в диапазоне выше 500 кГц.

Токовые трансформаторы применяются только в случае измерения переменных токов. Большинство недорогих токовых трансформаторов работают в очень узком диапазоне частот и не способны измерять постоянный ток. Широкополосные же трансформаторы превосходят по стоимости датчики тока на эффекте Холла и резистивные. Однако токовые трансформаторы не вносят потерь, не требуют питания и не имеют напряжения смещения.

Рисунок 1 Структуре датчика

Датчики тока на эффекте Холла (открытого типа и компенсационные), которым и посвящена данная статья, представляют наиболее интересную группу распространенных на сегодняшний день устройств измерения тока. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности (и как следствие, выделение теплоты), хорошую электрическую изоляцию, широкий диапазон частот и возможность измерения постоянных токов. Недостатком, по сравнению с вышерассмотренными методами, является необходимость внешнего источника питания.

Компания Honeywell выпускает широкую линейку датчиков тока на эффекте Холла трех типов. Это датчики тока открытого типа, датчики тока компенсационного типа и датчики тока открытого типа с логическим выходом.

ДАТЧИКИ ТОКА ОТКРЫТОГО ТИПА

Эти датчики предназначены для бесконтактного измерения постоянного тока на эффекте Холла открытого типа

Рисунок 2 Внешний вид датчиков тока откРытого типа

го, переменного и импульсного токов в диапазонах ±57...±950 А. Структура приборов приведена на рис. 1.

Датчики тока открытого типа фирмы Honeywell (рис. 2) построены на базе интегрированных линейных датчиков Холла 91SS12-2 и SS94A1 (производятся Honeywell), обладающих повышенной температурной стабильностью и линейностью характеристики. Датчики имеют аналоговый выход, напряжение на котором прямо пропорционально величине тока, протекающего через контролируемый проводник. При нулевом токе на выходе действует напряжение смещения, равное половине напряжения источника питания. Размах выходного напряжения и, соответственно, чувствительность линейно зависят от напряжения источника питания (пропорциональный выход, 0,2511 пит < U BUX < 0,75UJ. Дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника с током вокруг кольца магнитопровода датчика. Датчики на базе сенсора SS94A1 имеют двухтактный выходной каскад, построенный на комплементарной паре из биполярных p-n-p- и n-p-n-транзисторов, а на базе 91SS12-2 - каскад на p-n-p-транзис-торе с открытым коллектором. В таблице 2 приведены основные технические характеристики датчиков тока открытого типа.

ДАТЧИКИ ТОКА КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА

Компенсационные датчики тока позволяют бесконтактным способом измерять постоянный, переменный и импульсный токи в диапазонах ±5... ±1200 А. Структура приборов приведена на рис. 3.

Таблица 1. Характеристики датчиков тока, выполненных на основе различных технологий
Датчики тока	Поглощение	Электрическая	Внешнее	Частотный	Напряжение	Относительная
	мощности	изоляция	питание	диапазон	смещения	стоимость
Резистивные DC						самая низкая
Резистивные AC
На эфффекте Холла
открытые
На эфффекте Холла
компенсационные
Токовые трансформаторы	да (для АС)			фиксирован

ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Таблица 2	. Основные технические характеристики датчиков тока открытого типа компании Honeywell
Наименование Диапазон, А		Чувствительность, мВхЫ*		Напряжение Темп. дрейф Время 1 п, мА
	(ампл. знач.)	номин. значение	откл.	смещ., В смещ., %/°С откл., мкс
Линейные датчики тока на базе сенсора 915512-2, выходной каскад - р-п-р откр. коллектор, вертикальный монтаж
				U n /2 ±0,05 3 19
Линейные датчики тока на базе сенсора 5594А, выходной каскад - двухтактный р-п-р+п-р-п, вертикальный монтаж
				U n /2 ±0,007 3 20
Линейные датчики тока на базе сенсора 915512-2, выходной каскад - р-п-р откр. коллектор, горизонтальный монтаж
				U n /2 ±0,05 3 19

Линейные датчики тока на базе сенсора 5594А, выходной каскад - двухтактный р-п-р+п-р-п, горизонтальный монтаж

0,6 U n /2 ±0,02 8 20 6.12

CSLA2GD CSLA2GE CSLA2GF CSLA2GG

±72 ±92 ±125 ±150

Рисунок 3 Структура датчика тока на эффекте Холла компенсационного типа

Ток, протекающий через контролируемый проводник, создает магнитное поле, пропорциональное величине этого тока, которое концентрируется внутри кольцевого магнитопровода и воздействует на линейный интегрированный датчик Холла. Сигнал датчика усиливается УПТ, нагрузкой которого является катушка ООС. Катушка создает в магнитопроводе противоположенное по направлению магнитное поле, полностью компенсирующее исходное. Выходом датчика служит второй вывод катушки. Таким образом, выходной сигнал - это ток, пропорциональный величине тока в контролируемом проводнике и числу витков катушки обратной связи (I ~ 1Ы).

Рисунок 4 Внешний вид датчиков тока компенсационного типа

К примеру, датчик с катушкой в 1000 витков формирует выходной ток в 1 мА на 1 А измеряемого тока. Токовый выход конвертируется в вольтовый при помощи внешнего резистора, рекомендованные значения которого всегда приводятся в технической документации на датчик. Дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника вокруг кольца магнитопровода датчика или установкой перемычек, задающих число витков внутренней компенсационной катушки датчика (например, в моделях СБЫЕШ, СБЫЕ381). В таблице 3 приведены основные технические характеристики датчиков тока компенсационного типа.

Рисунок 5 Структура датчика тока с логическим выходом

Таблица Основные технические характеристики датчиков тока компенсационного типа компании Honeywell

Наименование	Диапазон, A U n , В		Хар-ка катушки		Номин 1 вых	R mrD при	зад	, мкс	Изол.,	Точн.,
	(ампл. знач)				при 1 ит	1 ном, Ом				% от 1 ном
					50 мА при 10 А
					25 мА при 25 А
					25 мА при 25 А
					25 мА при 25 А
					25 мА при 30 А
					12,5 мА при 25 А
					50 мА при 50 А
					25 мА при 25 А
					50 мА при 50 А
					50 мА при 50 А
					25 мА при 50 А
					25 мА при 50 А
					100 мА при 100 А
					100 мА при 100 А
					25 мА при 50 А
					25 мА при 50 А
					50 мА при 100 А
					50 мА при 100 А
					50 мА при 100 А
					50 мА при 100 А
					62,5 мА при 100 А
					62,5 мА при 100 А
					125 мА при 125 А
					125 мА при 125 А
					150 мА при 300 А
					150 мА при 300 А
					100 мА при 500 А
					100 мА при 500 А

Рисунок 6 Внешний вид датчиков тока с логическим выходом

ДАТЧИКИ ТОКА С ЛОГИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ

Датчики тока с логическим выходом (рис. 5) позволяют обнаружить превышение тока в контролируемом проводнике выше определенного значения и сформировать логический сигнал тревоги.

Основой этих приборов является интегрированный датчик Холла с логическим выходом. Структура датчиков приведена на рисунке справа. Значение порога срабатывания определяется моделью датчика и может иметь следующие значения: 0,5, 3,5, 5,0, 7,0, 10,0 и 54,00 А. Порог срабатывания может быть установлен меньше номинального значения путем увеличения числа витков проводника вокруг кольца датчика. В таблице 4 приведены основные технические характеристики датчиков тока с логическим выходом.

Таблица 4. Основные технические характеристики датчиков тока c логическим выходом компании Honeywell

Наименование		I „„„ , ,„,„, , A		! вых max ,	Ч вых (0/1) ,
	(при 25С)	(при 25С)

Более подробную информацию о датчиках компании Honeywell можно найти по адресу http://content.honeywell.com/sensing/ products или запросить у официального дистрибьютора компании КОМПЭЛ (

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.

Всем привет!

Пожалуй, стоит представиться немного - я обычный инженер-схемотехник, который интересуется также программированием и некоторыми другими областями электроники: ЦОС, ПЛИС, радиосвязь и некоторые другие. В последнее время с головой погрузился в SDR-приемники. Первую свою статью (надеюсь, не последнюю) я сначала хотел посвятить какой-то более серьезной теме, но для многих она станет лишь чтивом и не принесет пользы. Поэтому тема выбрана узкоспециализированная и исключительно прикладная. Также хочу отметить, что, наверное, все статьи и вопросы в них будут рассматриваться больше со стороны схемотехника, а не программиста или кого-либо еще. Ну что же - поехали!

Не так давно у меня заказывали проектирование «Система мониторинга энергоснабжения жилого дома», заказчик занимается строительством загородных домов, так что кто-то из вас, возможно, даже уже видел мое устройство. Данный девайс измерял токи потребления на каждой вводной фазе и напряжение, попутно пересылая данные по радиоканалу уже установленной системе «Умный дом» + умел вырубать пускатель на вводе в дом. Но разговор сегодня пойдет не о нем, а о его небольшой, но очень важной составляющей - датчике тока. И как вы уже поняли из названия статьи, это будут «бесконтактные» датчики тока от компании Allegro - ACS758-100 .
________________________________________________________________________________________________________________________

Даташит, на датчик о котором я буду рассказывать, можно посмотреть . Как несложно догадаться, цифра «100» в конце маркировки - это предельный ток, который датчик может измерить. Скажу честно - есть у меня сомнения по этому поводу, мне кажется, выводы просто не выдержат 200А долговременно, хотя для измерения пускового тока вполне подойдет. В моем устройстве датчик на 100А без проблем пропускает через себя постоянно не менее 35А + бывают пики потребления до 60А.

Рисунок 1 - Внешний вид датчика ACS758-100(50/200)

Перед тем, как перейду к основной части статьи, я предлагаю вам ознакомиться с двумя источниками. Если у вас есть базовые знания по электронике, то они будут избыточными и смело пропускайте этот абзац. Остальным же советую пробежаться для общего развития и понимания:

1) Эффект Холла. Явление и принцип работы
2) Современные датчики тока
________________________________________________________________________________________________________________________

Ну что же, начнем с самого важного, а именно с маркировки. Покупаю комплектующие в 90% случаев на www.digikey.com . В Россию компоненты приезжают через 5-6 дней, на сайте есть пожалуй все, также очень удобный параметрический поиск и документация. Так что полный список датчиков семейства можно посмотреть там по запросу "ACS758 ". Датчики мои были куплены там же - ACS758LCB-100B .

Внутри даташита по маркировке все расписано, но я все равно обращу внимание на ключевой момент "100В ":

1) 100 - это предел измерения в амперах, то есть мой датчик умеет измерять до 100А;
2) "В " - вот на эту букву стоит обратить внимание особо, вместо нее может быть также буква "U ". Датчик с буквой B умеет измерять переменный ток, а соответственно и постоянный. Датчик с буквой U умеет измерять только постоянный ток.

Также в начале даташита есть отличная табличка на данную тему:


Рисунок 2 - Типы датчиков тока семейства ACS758

Также одной из важнейших причин использования подобного датчика стала - гальваническая развязка . Силовые выводы 4 и 5 не связаны электрически с выводами 1,2,3. В данном датчике связь лишь в виде наведенного поля.

Еще в данной таблицы появился еще один важный параметр - зависимости выходного напряжения от тока. Прелесть данного типа датчиков в том, что у них выход напряжения, а не тока как у классических трансформаторов тока, что очень удобно. Например, выход датчика можно подсоединить напрямую ко входу АЦП микроконтроллера и снимать показания.

У моего датчика данное значение равно 20 мВ/А . Это означает, что при протекании тока 1А через выводы 4-5 датчика напряжение на его выходе увеличится на 20 мВ . Думаю логика ясна.

Следующий момент, какое же напряжение будет на выходе? Учитывая, что питание «человеческое», то есть однополярное, то при измерение переменного тока должна быть «точка отсчета». В данном датчике эта точка отсчета равна 1/2 питания (Vcc). Такое решение часто бывает и это удобно. При протекании тока в одну сторону на выходе будет "1/2 Vcc + I*0.02V ", в другом полупериоде, когда ток протекает в обратную сторону напряжение на выходе будет уже "1/2 Vcc - I*0.02V ". На выходе мы получаем синусоиду, где «ноль» это 1/2Vcc . Если же мы измеряем постоянный ток, то на выходе у нас будет "1/2 Vcc + I*0.02V ", потом при обработке данных на АЦП просто вычитаем постоянную составляющую 1/2 Vcc и работаем с истинными данными, то есть с остатком I*0.02V .

Теперь пришло время проверить на практике то, что я описал выше, а вернее вычитал в даташите. Чтобы поработать с датчиком и проверить его возможности, я соорудил вот такой «мини-стенд»:

Рисунок 3 - Площадка для тестирования датчика тока

Первым делом я решил подать на датчик питание и измерить его выход, чтобы убедиться в том, что за «ноль» у него принято 1/2 Vcc . Схему подключения можно взять в даташите, я же, желая лишь ознакомиться, не стал тратить время и лепить фильтрующий конденсатор по питанию + RC цепочку ФНЧ на выводе Vout. В реальном же устройстве без них никуда! Получил в итоге такую картинку:

Рисунок 4 - Результат измерения «нуля»

При подаче питания 5В с моей платки STM32VL-Discovery я увидел вот такие результаты - 2.38В . Первый же вопрос, который возник: "Почему 2,38, а не описанные в даташите 2.5? " Вопрос отпал практически мгновенно - измерил я шину питания на отладке, а там 4.76-4.77В. А дело все в том, что питание идет с USB, там уже 5В, после USB стоит линейный стабилизатор LM7805, а это явно не LDO с 40 мВ падением. Вот на нем это 250 мВ примерно и падают. Ну да ладно, это не критично, главное знать, что «ноль» это 2.38В. Именно эту константу я буду вычитать при обработке данных с АЦП.

А теперь проведем первое измерение, пока лишь с помощью осциллографа. Измерять буду ток КЗ моего регулируемого блока питания, он равен 3.06А . Это и встроенный амперметр показывает и флюка такой же результат дала. Ну что же, подключаем выходы БП к ногам 4 и 5 датчика (на фото у меня витуха брошена) и смотрим, что получилось:

Рисунок 5 - Измерение тока короткого замыкания БП

Как мы видим, напряжение на Vout увеличилось с 2.38В до 2.44В . Если посмотреть на зависимость выше, то у нас должно было получиться 2.38В + 3.06А*0.02В/А , что соответствует значению 2.44В. Результат соответствует ожиданиям, при токе 3А мы получили прибавку к «нулю» равную 60 мВ . Вывод - датчик работает, можно уже работать с ним с помощью МК.

Теперь необходимо подключить датчик тока с одному из выводов АЦП на микроконтроллере STM32F100RBT6. Сам камушек очень посредственный, системная частота всего 24 МГц, но данная платка у меня пережила очень много и зарекомендовала себя. Владею ею уже, наверное, лет 5, ибо была получена нахаляву во времена, когда ST их раздавали направо и налево.

Сначала по привычке я хотел после датчика поставить ОУ с коэф. усиления «1», но, глянув на структурную схему, понял, что он внутри уже стоит. Единственное стоит учесть, что при максимальном токе выходное питание будет равно питанию датчика Vcc, то есть около 5В, а STM умеет измерять от 0 до 3.3В, так что необходимо в таком случае поставить делитель напряжения резистивный, например, 1:1,5 или 1:2. У меня же ток мизерный, поэтому пренебрегу пока этим моментом. Выглядит мое тестовое устройство примерно так:

Рисунок 6 - Собираем наш «амперметр»

Также для визуализации результатов прикрутил китайский дисплей на контроллере ILI9341, благо валялся под рукой, а руки до него никак не доходили. Чтобы написать для него полноценную библиотеку, убил пару часов и чашку кофе, благо даташит на удивление оказался информативным, что редкость для поделок сыновей Джеки Чана.

Теперь необходимо написать функцию для измерения Vout с помощью АЦП микроконтроллера. Рассказывать подробно не буду, по STM32 уже и так море информации и уроков. Так что просто смотрим:

Uint16_t get_adc_value() { ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); return ADC_GetConversionValue(ADC1); }
Далее, чтобы получить результаты измерения АЦП в исполняемом коде основного тела или прерывания, надо прописать следующее:

Data_adc = get_adc_value();
Предварительно объявив переменную data_adc:

Extern uint16_t data_adc;
В итоге мы получаем переменную data_adc, которая принимает значение от 0 до 4095, т.к. АЦП в STM32 идет 12 битный. Далее нам необходимо превратить полученный результат «в попугаях» в более привычный для нас вид, то есть в амперы. Поэтому необходимо для начала посчитать цену деления. После стабилизатора на шине 3.3В у меня осциллограф показал 3.17В, не стал разбираться, с чем это связано. Поэтому, разделив 3.17В на 4095, мы получим значение 0.000774В - это и есть цена деления. То есть получив с АЦП результат, например, 2711 я просто домножу его на 0.000774В и получу 2.09В.

В нашей же задачи напряжение лишь «посредник», его нам еще необходимо перевести в амперы. Для этого нам надо вычесть из результата 2.38В, а остаток поделить на 0.02 [В/А]. Получилась вот такая формула:

Float I_out = ((((float)data_adc * presc)-2.38)/0.02);
Ну что же, пора залить прошивку в микроконтроллер и посмотреть результаты:

Рисунок 7 - Результаты измерения данных с датчика и их обработка

Измерил собственное потребление схемы как видно 230 мА. Измерив тоже самое поверенной флюкой, оказалось, что потребление 201 мА. Ну что же - точность в один знак после запятой это уже очень круто. Объясню, почему… Диапазон измеряемого тока 0..100А, то есть точность до 1А это 1%, а точность до десятых ампера это уже 0,1%! И прошу заметить, это без каких либо схемотехнических решений. Я даже поленился повесить фильтрующие кондеры по питанию.

Теперь необходимо замерить ток короткого замыкания (КЗ) моего источника питания. Выкручиваю ручку на максимум и получаю следующую картину:

Рисунок 8 - Измерения тока КЗ

Ну и собственно показания на самом источнике с его родным амперметром:

Рисунок 9 - Значение на шкале БП

На самом деле там показывало 3.09А, но пока я фотографировал, витуха нагрелась, и ее сопротивление выросло, а ток, соответственно, упал, но это не так страшно.

В заключение даже и не знаю, чего сказать. Надеюсь, моя статья хоть как-то поможет начинающим радиолюбителям в их нелегком пути. Возможно, кому-то понравится моя форма изложения материала, тогда могу продолжить периодически писать о работе с различными компонентами. Свои пожелания по тематике можно высказать в комментариях, я постараюсь учесть.