Измерение тока датчиком холла

Зашел тут как то разговор про теорию различных ништяков, например датчиков холла, термопар и.т.д. Решено: быть серии статей по теории.
Отмазки:
Зачем: да, конечно можно использовать любое устройство по принципу черного ящика, знать когда применять, как подключить, как снять сигнал. Но профессионал тем и отличается от любителя, что досконально знает то, что использует. Это сильно помогает избежать кучи граблей и подобрать правильное техническое решение. Да и полезно для общего развития.
Как: попробую дать краткую выкладку по каждой из выбранных тем в публицистическом стиле и немного расскажу о применении. Книга замечаний как всегда в комментариях.

Начнем: Первыми на очереди датчики холла.

Однажды (в 1879 г.) один умный дядька (Эдвин Холл) взял тонкую золотую пластинку (2), поместил ее между полюсов мощного магнита (3), пустил по ней ток (1) и померил напряжение между разными ее гранями (между верхней и нижней). Примерно так:
И как многие уже заметили оно не оказалось равным нулю. Возникает вопрос: «Почему»? А причина тому — сила Лоренса. Заряженные частицы движутся горизонтально, перпендикулярно магнитному полю, следовательно на них действует сила Лоренса. Электроны под ее действием смещаются вверх -> возникает разность потенциалов и электрическое поле, которое воздействуя на электроны по закону Кулона, компенсирует силу Лоренса.
Тем кто не любит формулы можно немного отдохнуть. Для того что бы описать уравнениями изобразим происходящее:

У нас есть ток I, толщина пластины b, высота a, и виновник торжества: магнитное поле B. Сначала определим напряженность электрического поля [E] в проводнике. Как уже сказано она уравновешивает силу Лоренса, поэтом можем смело приравнивать силу Лоренса и Кулона.

А зная напряженность поля и толщину пластины определим разность потенциалов (т.е. напряжение) и сразу подставим прошлое выражение:

Только вот беда, надо еще определить скорость частиц, но это не сложно, заодно подставим полученное значение в предыдущие и сократим:

1/qn принимается постоянной холла (q — заряд электрона, n — объемная плотность носителей).Таким образом получили выражение

Теперь зная например толщину пластинки, индукцию и постоянную Холла — можно определить ток, или наоборот индукцию через ток. А при необходимости можем узнать тип проводимости и концентрацию носителей заряда, но это уже для ученых.

Попробуем посчитать напряжение в числах. Возьмем вольфрам, при B=1 Тесла, I = 1 A, b = 0.01 мм получим U=11 мкВ. Однако маловато, разберемся почему. Постоянная Холла для металлов имеет порядок 10^-10, и виной тому очень высокая концентрация носителей заряда. Может подобрать другой материал? а почему бы и нет. Возьмем полупроводники, сегодня возможно получить полупроводники с заданной концентрацией носителей, так например для кремния возможна постоянная холла порядка 10^-3. А теперь сделаем пластинку потоньше и: B=1 Тесла, I = 1 A, b = 0.001 получается U=1 В, согласитесь неплохо? А еще поставим усилитель, причем чем ближе к датчику тем лучше, дабы не наловить помех и получим неплохую чувствительность.
Выпускаются датчики холла в интегральном исполнении, как правило совмещен либо с усилителем либо с силовыми ключами.
Преимущества: Нет подвижных частей, линейные характеристики, компактность, герметичность, надежность, в отличии от токовых трансформаторов измеряет индукцию поля а не ее изменение.

Теперь о применении.
А применять этот эффект можно как угодно, насколько хватит фантазии. Чаще всего используют в датчиках положения (кулеры, электронное зажигание, счетчики оборотов, тахометры). Используется для измерения сильных постоянных токов

Можно например сделать импульсный преобразователь напряжения, и определять оптимальный момент открытия — закрытия транзисторов поставив датчик холла на сердечник индуктивности.

Жду замечаний и оценки материала. Стоит ли выкладывать в коллективный блог? О чем стоит рассказать в следующей статье? В качестве возможных тем: работа полевого транзистора, элемент Пельтье, он же термопара, или трактат о вихревых расходомерах.
Еще есть прекрасная возможность рассказать про некоторые ништяки из теории автоматического управления, например про методы настройки ПИД регулятора, ибо эта темя в интернете совершенно не освещена.

Melexis MLX91208

Датчики тока MLX91208 от компании Melexis созданы с использованием технологии IMC-Hall ® . Они представляют собой универсальное решение для самых разных приложений. Универсальность заключается в том, что MLX91208 можно применять для измерения токов в печатных проводниках, кабелях и в массивных шинах. При этом, для MLX91208CAV максимальный ток достигает 1000 А! Еще одним ключевым достоинством MLX91208 является соответствие автомобильному стандарту AEC-Q100, что позволяет использовать эти микросхемы в электрооборудовании современных автомобилей и электромобилей.

Рис. 1.	Датчики тока с технологией IMC-Hall от Melexis.

Существует три основных инструмента для измерения тока: шунтовые датчики, трансформаторы тока и датчики Холла. Каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки. Причем последние два варианта являются бесконтактными решениями, что очень часто становится ключевым фактором при их выборе.

Если сравнивать трансформаторы тока и датчики Холла, то датчики Холла имеют несколько преимуществ. К ним стоит отнести компактные габариты, бюджетную стоимость, простоту интеграции в измерительные системы и высокую точность.

Важно отметить, что даже если используются датчики Холла, то система измерения может иметь значительные габариты (Рис. 2). В ее состав обязательно входит дополнительный магнитный сердечник. Он выступает как концентратор магнитного поля и как экран одновременно. Стандартный датчик Холла располагается в зазоре сердечника перпендикулярно к линиям поля.

Рис. 2.	Принцип измерения тока в проводнике.

Компания Melexis, потратив более десяти лет на научные исследования, предложила совершенно новую технологию IMC-Hall® для создания датчиков Холла (Рис. 3). В отличие от стандартного решения, они не требуют дополнительного внешнего магнитного сердечника. Вместо этого используется встроенный концентратор магнитного поля в виде двух плоских сердечников с очень высокой магнитной проницаемостью.

Рис. 3.	Принцип работы датчика тока с технологией IMC-Hall.

Принцип работы таких датчиков идентичен функционированию обычных датчиков Холла. Однако при этом используется не перпендикулярное, а параллельное магнитное поле. Это значит, что проводник с током должен находиться параллельно корпусу сенсора.

Технология IMC-Hall не требует обязательного наличия магнитного сердечника. Если требуется высокая точность измерений в условиях значительных внешних магнитных полей, возможно применение дополнительного экрана. Следует особо подчеркнуть, что это именно экран, поэтому он оказывается гораздо более компактным, чем магнитный сердечник.

Датчики MLX91208 построены по технологии IMC-Hall и отличаются целым рядом преимуществ:

• простота реализации (требуется всего несколько внешних компонентов);
• простота и универсальность монтажа: измерение токов печатных проводников, кабелей, шин;
• не требуется массивного магнитного внешнего сердечника;
• возможность создания сверхкомпактных многодиапазонных решений;
• возможность программирования чувствительности и других характеристик;
• соответствие требованиям AEC-Q100.

Семейство датчиков MLX91208 объединяет нескольких представителей с различными уровнями чувствительности.

MLX91208CAV – интегральный датчик, используемый для измерения токов до 1000 А. Он имеет номинальную чувствительность 60 мВ/мТл, но может быть перепрограммирован для значений 30/ 40/ 60/ 200 мВ/мТл. Датчик способен работать на частотах до 200 кГц включительно с минимальной задержкой сигнала всего 3 мкс.

В состав MLX91208CAV уже входят все необходимые функциональные блоки: усилители, схема питания, память, генератор, планировщик (Рис. 4). В результате схема включения требует всего четырех внешних пассивных компонентов.

Рис. 4.	Структурная схема датчиков тока MLX91208.

MLX91208CAV станет идеальным решением для измерения токов в печатных проводниках, например, в автомобильных силовых модулях. Важно отметить, что даже если MLX91208CAV будет использоваться вместе с дополнительным экраном, измерительная система сохранит малые габариты (Рис. 5).

Рис. 5.	Пример измерения тока печатного проводника с помощью MLX91208.

С помощью MLX91208CAV также легко создавать решения для измерения токов в кабелях (Рис. 6) и массивных шинах (Рис. 7). При этом для обеспечения точности в широком диапазоне токов разрешено размещать несколько датчиков с различной чувствительностью на одном и том же проводе или шине.

Рис. 6.	Пример измерения тока провода с помощью MLX91208.
Рис. 7.	Пример измерения тока массивной шины с помощью MLX91208.

Чтобы не было сомнений в надежности представленной технологии, стоит подчеркнуть, что датчики MLX91208 прошли сертификацию AEC-Q100 и идеально подходят для работы в составе автотракторного электрооборудования. Впрочем, MLX91208 могут применяться и в других приложениях: сварочные аппараты, генераторы, зарядные устройства, инверторы, промышленные привода электродвигателей, защитные расцепители и т. д.

Для ознакомления с возможностями семейства микросхем MLX91208 компания Melexis предлагает использовать отладочный набор DVK91208 (Рис. 8). Он включает в себя по три микросхемы MLX91208-CAL и MLX91208-CAH, три печатных платы (PCB_EC01/02/03), на которые можно распаять датчики. В комплект входят также два П-образных и три С-образных экрана.

Печатные платы PCB_EC0x отличаются максимальными допустимыми токами, размерами и типом используемых сердечников. Например, PCB_EC01 позволяет пропускать токи до 30 А и использовать сердечники обоих типов.

Рис. 8.	Отладочный набор DVK91208.

Начиная с семейства MLX91206, все датчики тока от Melexis имеют возможность программирования. Для этого используется фирменный программатор PTC-04 и специальное ПО.

Характеристики микросхемы датчика Холла MLX91208LDC-CAV:

• Номинальная чувствительность: 60 мВ/мТл;
• Программируемые значения чувствительности: 30/ 40/ 60/ 200 мВ/мТл;
• Диапазон частот: 0…200 кГц;
• Задержка сигнала: 3 мкс;
• Типовой ток потребления: 12 мА;
• Напряжение питания: 5 В (4.5…5.5 В);
• Диапазон рабочих температур: -40…+150 °C;
• Корпусное исполнение: SOIC-8.

Состав отладочного набора DVK91208:

• Три микросхемы MLX91208-CAH;
• Три микросхемы MLX91208-CAL;
• Плата PCB_EC01 (36.8 × 30.5 × 1.6 мм) для токов до 30 А (ср.кв.) и сердечников типа C и U;
• Плата PCB_EC02 (36.8 × 30.5 × 2.0 мм) для токов до 30 А (ср.кв.) и сердечников типа U;
• Плата PCB_EC02 (42.0 × 35.0 × 1.5 мм) для токов до 7 А (ср.кв.) и сердечников типа U;
• Три сердечника типа U;
• Три сердечника типа C.

О компании:

Melexis – компания, специализирующаяся на разработке и производстве микросхем для автомобильной электроники. Номенклатура производителя включает широкий перечень компонентов: датчики (тока, давления, температуры, положения, скорости), контроллеры двигателей (бесколлекторных и постоянного тока), микросхемы интерфейсов (LIN), оптические компоненты, беспроводные микросхемы (радиотрансиверы, NFCи т.д.), микроконтроллеры и многие другие.

При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.

В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.

Особенности амперметра:

• Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
• Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
• Вывод информации на символьный LCD дисплей
• Два режима измерения (до 10А и до 50А)

Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.

Предварительный расчет схемы

В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла — SS494B.

С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.

Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:

Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:

Здесь K_B — чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).

Например, в моем случае l_з = 2 мм = 0,002 м, K_B = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:

Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А, то есть расчет получается весьма точным.

Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:

Фото датчика в зазоре:

Расчет цепей ОУ

В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.

В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 — 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:

Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):

Напряжения нам известны:

Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).

Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.

Описание работы микроконтроллера

Микроконтроллер ATmega8A выполняет обработку сигналов с ОУ и вывод результатов на дисплей. Он тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц. Фьюзы стандартные, за исключением CKSEL. В PonyProg они выставляются так:

АЦП сконфигурирован на работу с частотой 125 кГц (коэффициент деления равен 64). По окончании преобразования АЦП вызывается обработчик прерывания. В нем запоминается максимальное значение тока, а также суммируются квадраты токов последовательных выборок. Как только число выборок доходит до 5000, микроконтроллер вычисляет RMS значение тока и выводит данные на дисплей. Затем переменные обнуляются и все происходит с начала. На схеме указан дисплей WH0802A, но можно использовать любой другой дисплей с контроллером HD44780.

Прошивка микроконтроллера, проект для CodeVision AVR и файл симуляции в Proteus приложены к статье.

Настройка схемы

Настройка устройства сводится к регулировке подстроечных резисторов. Сначала нужно настроить контрастность дисплея, вращая P1.

Затем, переключившись кнопкой S1 в режим до 10А, настраиваем P2 и P3. Выкручиваем один из резисторов максимально вправо и, вращая второй резистор, добиваемся нулевых показаний прибора. Пробуем измерить ток, величина которого точно известна, при этом показания амперметра должны получиться ниже, чем есть на самом деле. Подкручиваем оба резистора немного влево, так чтобы сохранилась нулевая точка, и опять измеряем ток. На этот раз показания должны стать чуть больше. Продолжаем это до тех пор, пока не добьемся точного отображения величины тока.

Теперь переключимся в режим до 50А и настроим его. Резистором P4 выставляем ноль на дисплее. Измеряем какой-либо ток и смотрим на показания. Если амперметр завышает их, то крутим P5 влево если занижает, то крутим вправо. Опять выставляем ноль, проверяем показания при заданном токе и так далее.

Фото устройства

Измерение постоянного тока:

Из-за недостаточно точной калибровки, значения немного завышаются.

Измерение переменного тока частотой 50 Гц, в качестве нагрузки используется утюг:

В теории среднеквадратичный ток синусоиды равняется 0.707 от максимального, но, судя по показаниям, этот коэффициент равен 0.742. После проверки формы напряжения в сети, выяснилось что оно лишь напоминает синусоиду. Учитывая это, такие показания прибора выглядят вполне достоверными.

У прибора все же есть недостаток. На выходе датчика постоянно присутствуют шумы. Проходя через ОУ, они попадают на микроконтроллер, в результате чего невозможно добиться идеального нуля (вместо нуля отображается примерно 30-40 мА RMS). Это можно исправить, увеличив емкость C7, но тогда ухудшатся частотные характеристики: на высоких частотах показания будут занижаться.