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

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 (

В 1879 году, работая над своей докторской диссертацией в университете Джонса Хопкинса, американский физик Эдвин Герберт Холл проводил эксперимент с золотой пластинкой. Он пропускал по пластинке ток, разместив саму пластинку на стекле, причем дополнительно пластинка была подвергнута действию магнитного поля, направленного перпендикулярно ее плоскости, и, соответственно, перпендикулярно току.

Справедливости ради следует отметить, что Холл занимался в тот момент решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, по которой течет ток, от наличия рядом с ней , и в рамках этой работы ученым были проведены тысячи опытов. В результате же эксперимента с золотой пластинкой было обнаружено возникновение некоторой разности потенциалов на боковых краях пластинки.

Это напряжение получило название напряжения Холла . Можно грубо описать процесс следующим образом: сила Лоренца приводит к накоплению отрицательного заряда возле одного края пластинки, и положительного - возле противоположного края. Отношение же возникающего напряжения Холла к величине продольного тока, является характеристикой материала, из которого изготовлен конкретный элемент Холла, и эта величина получила название «холловское сопротивление».

Служит достаточно верным методом определения типа носителей заряда (дырочный или электронный) в полупроводнике или металле.

На основе эффекта Холла теперь изготавливают датчики Холла , приборы для измерения напряженности магнитного поля и определения силы тока в проводнике. В отличие от трансформаторов тока, датчики Холла дают возможность измерять и постоянный ток. Таким образом, области применения датчика Холла в целом весьма обширны.

Так как напряжение Холла мало, вполне логично, что к выводам напряжения Холла подключают . Для подключения к цифровым узлам, схему дополняют триггером Шмита, и получается пороговое устройство, которое срабатывает при заданном уровне напряженности магнитного поля. Такие схемы называют переключателями Холла.

Часто датчик Холла используется в паре с постоянным магнитом, и срабатывание происходит при приближении постоянного магнита к датчику на определенное, заданное заранее расстояние.

Довольно широко распространены датчики Холла в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах), где датчики устанавливаются прямо на статоре двигателя и играют роль датчика положения ротора (ДПР), который обеспечивает обратную связь по положению ротора, примерно как коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока.

Закрепив постоянный магнит на валу, получим простой счетчик оборотов, а иногда достаточно экранирующего воздействия самой ферромагнитной детали на магнитный поток от . Магнитный поток, от которого обычно срабатывают датчики Холла, составляет 100-200 Гауссов.

Выпускаемые современной электронной промышленностью, трехвыводные датчики Холла имеют в своем корпусе n-p-n транзистор с открытым коллектором. Зачастую ток через транзистор такого датчика не должен превышать 20 мА, поэтому для подключения мощной нагрузки необходимо устанавливать усилитель тока.

Магнитное поле проводника с током, обычно, недостаточно интенсивное для срабатывания датчика Холла, поскольку чувствительность таких датчиков составляет 1-5 мВ/Гс, и поэтому для измерения слабых токов проводник с током навивают на тороидальный сердечник с зазором, а в зазор уже устанавливают датчик Холла. Так при зазоре в 1,5 мм магнитная индукция составит уже 6 Гс/А.

Измерение и контроль протекающего тока являются принципиальным требованием для широкого круга приложений, включая схемы защиты от перегрузки по току, зарядные устройства, импульсные источники питания, программируемые источники тока и пр. Один из простейших методов измерения тока -использование резистора с малым сопротивлением, - шунта между нагрузкой и общим проводом, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току. Несмотря на то, что данный метод очень прост в реализации, точность измерений оставляет желать лучшего, т.к. сопротивление шунта зависит от температуры, которая не является постоянной. Кроме того, такой метод не позволяет организовать гальваническую развязку между нагрузкой и измерителем тока, что очень важно в приложениях, где нагрузка питается высоким напряжением.

Основные недостатки измерения тока с помощью резистивного шунта:

• нагрузка не имеет прямой связи с «землей»;
• нелинейность измерений, обусловленная температурным дрейфом сопротивления резистора;
• отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и схемой измерения.

В статье мы рассмотрим экономичный и прецизионный интегральный датчик тока ACS712 , принцип его работы, основанный на эффекте Холла, характеристики и способ подключения к микроконтроллеру для измерения постоянного тока. Статья разделена на две части: первая посвящена устройству и характеристикам датчика, вторая - интерфейсу с микроконтроллером и работе с датчиком.

Датчик тока ACS712 основан на принципе, открытом в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin Hall), и названным его именем. Эффект Холла состоит в следующем: если проводник с током помещен в магнитное поле, то на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно, как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля. Эффект иллюстрируется Рисунком 2. Через тонкую пластину полупроводникового материала, называемую элементом Холла, протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца, искривляющая траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объемных зарядов в элементе Холла. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает ЭДС, называемая ЭДС Холла. Эта ЭДС пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока I и имеет типовое значение порядка нескольких микровольт.

Микросхема ACS712 выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (Рисунок 3). Она состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока (Рисунок 4). Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.

Рисунок 3.

На Рисунке 5 показано расположение выводов ACS712 и типовая схема его включения. Выводы 1, 2 и 3,4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет очень малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы прибор выдерживал силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 - 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ с.к.з.

В низкочастотных приложениях часто требуется включить на выходе устройства простой RC фильтр, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. ACS712 содержит внутренний резистор R F , соединяющий выход встроенного усилителя сигнала со входом выходной буферной схемы (см. Рисунок 6). Один из выводов резистора доступен на выводе 6 микросхемы, к которому подключается внешний конденсатор C F . Следует отметить, что использование конденсатора фильтра приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и, следовательно, ограничивает полосу пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости C F полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровеня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор C F емкостью 1 нФ.

Рисунок 6.

Чувствительность и выходное напряжение ACS712

Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4). Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:

• ±5 А (ACS712-05B),
• ±20 А (ACS712-20B),
• ±30 А (ACS712-30A)

Соответствующие уровни чувствительности составляют 185 мВ/А, 100 мА/В и 66 мВ/A. При нулевом токе, протекающем через датчик, выходное напряжение равно половине напряжения питания (Vcc/2). Необходимо заметить, что выходное напряжение при нулевом токе и чувствительность ACS712 пропорциональны напряжению питания. Это особенно полезно при использовании датчика совместно с АЦП.

Точность любого АЦП зависит от стабильности источника опорного напряжения. В большинстве схем на микроконтроллерах в качестве опорного используется напряжение питания. Поэтому при нестабильном напряжении питания измерения не могут быть точными. Однако если опорным напряжением АЦП сделать напряжение питания датчика ACS712, его выходное напряжение будет компенсировать любые ошибки аналого-цифрового преобразования, обусловленные флуктуациями опорного напряжения.

Рассмотрим эту ситуацию на конкретном примере. Допустим, что для опорного напряжения АЦП и питания датчика ACS712 используется общий источник Vcc = 5.0 В. При нулевом токе через датчик его выходное напряжение составит Vcc/2 = 2.5 В. Если АЦП 10-разрядный (0…1023), то преобразованному выходному напряжению датчика будет соответствовать число 512. Теперь предположим, что вследствие дрейфа напряжение источника питания установилось на уровне 4.5 В. Соответственно, на выходе датчика будет 4.5 В/2 = 2.25 В, но результатом преобразования, все равно, будет число 512, так как опорное напряжение АЦП тоже снизилось до 4.5 В. Точно также, и чувствительность датчика снизится в 4.5/5 = 0.9 раз, составив 166.5 мВ/А вместо 185 мВ/А. Как видите, любые колебания опорного напряжения не будут источником ошибок при аналого-цифровом преобразовании выходного напряжения датчика ACS712.

На Рисунке 7 представлены номинальные передаточные характеристики датчика ACS712-05B при напряжении питания 5.0 В. Дрейф выходного напряжения в рабочем диапазоне температур минимален благодаря инновационной технологии стабилизации.