Integrirani senzori položaja male snage bazirani na Hall efektu. Strujni pretvarači su pravo rješenje

Izmjeriti struju visokog napona? Ili struja koju troši starter automobila? Ili struja iz vjetrogeneratora? Sve se to može obaviti beskontaktno koristeći jedan čip.

Melexis radi sljedeći korak u kreiranju ekološki prihvatljivih rješenja, otvarajući nove mogućnosti za beskontaktno mjerenje struja u aplikacijama obnovljivih izvora energije, hibridnih električnih vozila (HEV) i električnih vozila (EV). MLX91206 je programabilni monolitni senzor baziran na Triaxis™ Hall tehnologiji. MLX91206 omogućava korisniku da napravi mala, isplativa rješenja na dodir sa brzim vremenom odziva. Čip direktno kontroliše struju koja teče vanjski provodnik, na primjer, sabirnica ili kolosijek na štampanoj ploči.

Beskontaktni strujni senzor MLX91206 sastoji se od CMOS-a integralno kolo Hall efekt sa tankim slojem feromagnetne strukture na površini. Integrisani feromagnetski sloj (IMC) se koristi kao koncentrator magnetnog fluksa, pružajući visoko pojačanje i veći odnos signal-šum senzora. Senzor je posebno pogodan za mjerenje konstante i/ili naizmjenična struja do 90 kHz sa omskom izolacijom, koju karakteriziraju vrlo mali gubici umetanja, kratko vrijeme odziva, mala velicina kućište i jednostavnost montaže.

MLX91206 ispunjava zahtjeve za široko rasprostranjene elektronske aplikacije u automobilskoj industriji, konverziju obnovljive energije (solarna i vjetar), napajanje, kontrolu motora i zaštitu od preopterećenja.

Područja upotrebe:

• mjerenje potrošnje struje u baterijskom napajanju;
• Pretvarači solarne energije;
• automobilski invertori u hibridnim vozilima itd.

MLX91206 ima zaštitu od prenapona i zaštitu od prenapona obrnuti napon i može se koristiti kao samostalni strujni senzor spojen direktno na kabel.

MLX91206 mjeri struju pretvaranjem magnetsko polje, stvoren strujama koje teku kroz provodnik, u napon koji je proporcionalan polju. MLX91206 nema gornju granicu na nivou struje koji može izmjeriti jer izlazni nivo ovisi o veličini vodiča i udaljenosti od senzora.

Prepoznatljive karakteristike:

• programabilni senzor struje velike brzine;
• koncentrator magnetnog polja koji pruža visok omjer signala i šuma;
• zaštita od prenapona i obrnutog polariteta;
• komponente bez olova za bezolovno lemljenje, MSL3;
• brzi analogni izlaz (DAC rezolucija 12 bita);
• programabilni prekidač;
• izlaz termometra;
• PWM izlaz (ADC rezolucija 12 bita);
• 17-bitni ID broj;
• neispravna dijagnostika kolosijeka;
• brzo vreme odziva;
• ogroman DC propusni opseg - 90 kHz.

Kako senzor radi:

MLX91206 je monolitni senzor napravljen na bazi tehnologije Triais® dvorana. Tradicionalna planarna Hall tehnologija je osjetljiva na gustinu fluksa primijenjenu okomito na IC površinu. IMC-Hall ® senzor struje je osjetljiv na gustinu fluksa primijenjenu paralelno na površinu IC-a. Ovo se postiže kroz integrisani magnetni koncentrator (IMC-Hall®), koji se primenjuje na CMOS kristal. IMC-Hall ® senzor struje može se koristiti u automobilskoj industriji. To je senzor sa Hallovim efektom koji daje izlazni signal proporcionalan gustini fluksa koji se primjenjuje horizontalno i stoga je pogodan za mjerenje struje. Idealan je kao senzor struje otvorene petlje za montažu štampana ploča. Prijenosna karakteristika MLX91206 je programabilna (pristrasnost, pojačanje, nivoi stezanja, dijagnostičke funkcije...). Izlaz se može izabrati između analognog i PWM. Linearni analogni izlaz se koristi za aplikacije koje zahtijevaju brz odziv (<10 мкс.), в то время как выход ШИМ используется для применения там, где требуется низкая скорость при высокой надежности выходного сигнала.

Mjeri male struje do ±2 A

Male struje se mogu meriti sa MLX91206 povećanjem magnetnog polja kroz zavojnicu oko senzora. Osetljivost (izlazni napon u poređenju sa strujom zavojnice) merenja će zavisiti od veličine zavojnice i broja zavoja. Dodatna osjetljivost i smanjena osjetljivost na vanjska polja mogu se postići dodavanjem štita oko zavojnice. Bobina pruža vrlo visoku dielektričnu izolaciju, što MLX91206 čini pogodnim rješenjem za visokonaponske izvore napajanja s relativno malim strujama. Izlaz se mora proširiti kako bi se dobio maksimalni napon za velike struje kako bi se postigla maksimalna tačnost i rezolucija u mjerenjima.

Fig.1. Rešenje niske struje.

Prosječne struje do ±30 A

Struje u opsegu do 30 A mogu se izmjeriti korištenjem jednog traga na PCB-u. Prilikom usmjeravanja PCB-a, potrebno je uzeti u obzir dopuštenu struju i ukupnu disipaciju snage traga. Tragovi na PCB-u moraju biti dovoljno debeli i široki da kontinuirano podnose prosječnu struju. Diferencijalni izlazni napon za ovu konfiguraciju može se aproksimirati sljedećom jednadžbom:

Vout = 35 mV/ * I

Za struju od 30 A, izlaz će biti približno 1050 mV.

Fig.2. Rješenje za prosječne trenutne vrijednosti.

Merenje velike struje do ±600 A

Druga metoda za mjerenje velikih struja na PCB-ima je korištenje debelih bakrenih tragova koji mogu nositi struju na suprotnoj strani PCB-a. MLX91206 bi trebao biti smješten blizu centra provodnika, međutim, pošto je provodnik vrlo širok, izlaz je manje osjetljiv na postavljanje na ploču. Ova konfiguracija također ima manju osjetljivost ovisno o udaljenosti i širini provodnika.

Fig.3. Rješenje za velike vrijednosti struje.

O meleksisu

Osnovan više od deset godina, Melexis dizajnira i proizvodi proizvode za automobilsku industriju, nudeći niz integriranih senzora, ASSP i VLSI proizvoda. Melexis rješenja su izuzetno pouzdana i zadovoljavaju visoke standarde kvalitete koji se zahtijevaju u automobilskoj primjeni.

Za ispravan, pouzdan i nesmetan rad savremenih energetskih i neelektronskih proizvoda veoma je važno pravilno odrediti veličine i oblike napona i struja koje deluju u uređaju. Sudbina projekta, finansijski uspjesi ili neuspjesi tijekom rada, pa čak i životi ljudi mogu ovisiti o izboru tako naizgled jednostavnog elementa kao što je mjerač električne struje ili napona. Jedna od najpogodnijih opcija za ovakva mjerenja (ubuduće ćemo pokušati koristiti termin „konverzija“, budući da Laboratorija DTiN doo podržava mišljenje da senzori, po definiciji, nisu mjerni instrumenti) su brojila čiji se rad zasniva na Hallov efekat. Prednosti ovih pretvarača su odsustvo gubitaka energije u kontrolisanom kolu, galvanska izolacija između ulaznog i izlaznog kola, brzina, mogućnost rada u širokom rasponu temperatura i napona napajanja, kao i mogućnost direktnog povezivanja sa različitim nadzornim i kontrolni uređaji.

Preciznost mjerača struje s Hallovim efektom je u rasponu od 0,2 do 2 posto i ovisi prije svega o strujnom kolu korištenom u dizajnu uređaja. Imaju široku primjenu u raznim električnim instalacijama, obično u zaštitnim, nadzornim i kontrolnim krugovima, ali se, na primjer, zbog brojnih ograničenja, gotovo nikada ne koriste za komercijalno mjerenje električne energije. Slični pretvarači električnih signala mogu se naći u modernom aparatu za zavarivanje, u sistemu upravljanja liftom iu automobilu, a rad željezničkog transporta danas je nezamisliv bez ovih uređaja. Uređaji koji rade na Hallovom efektu mogu pretvarati i naizmjeničnu i jednosmjernu struju. Unatoč činjenici da se često nazivaju "strujnim transformatorima", ova činjenica je njihova glavna razlika i prednost.

Holov efekat otkrio je prije više od 130 godina američki naučnik Edwin Hall tokom eksperimenata sa magnetnim poljima. Od tada je ovaj efekat opisan mnogo puta u širokoj literaturi. Zasniva se na pojavi poprečne razlike električnog potencijala u vodiču s jednosmjernom strujom koji se nalazi u magnetskom polju.

Na šta trebate obratiti pažnju pri odabiru uređaja za mjerenje indikatora

1. Napon napajanja. Za industrijske mjerne instrumente koriste se i bipolarno (±12V, ±15V, ±18V, ±24V) i unipolarno (+5, 12, 24V) napajanje. Njegov izbor zavisi kako od mogućnosti i potreba programera, tako i od uslova interfejsa sa jedinicama za praćenje i upravljanje.
2. Preciznost konverzije. Kao što smo već spomenuli, postojeća brojila koja rade na efektu Edwina Halla imaju tačnost od 0,2 do 2 posto, dok se ovaj parametar obično određuje načinom na koji je sam mjerač izgrađen - korištenjem direktnog pojačala ili kompenzacijskog kola, sa 100% povratne informacije. Kao i u većini slučajeva, precizniji mjerni uređaj kompenzacijskog tipa za istu nazivnu električnu struju skuplji je od svog kolege koji je sastavljen pomoću kruga za direktno pojačavanje, u pravilu ima veće dimenzije i definitivno veću potrošnju električne struje iz izvora napajanja . Njegove prednosti neće biti samo veća preciznost, što smo već spomenuli, već i bolja linearnost i otpornost na buku.
3. Raspon konverzije. Takvi dizajni su sposobni da konvertuju ulazni signal u proporcionalni izlazni ili odgovarajući digitalni signal sa strujom u rasponu od nekoliko stotina miliampera do nekoliko hiljada ampera. Naravno, sličan mehanizam sa 10kA ili više je skuplji od svog kolege od 25A
4. Okvir. Ove jedinice mogu imati različite tipove kućišta. Dostupne su opcije za montažu na PCB, šasiju ili DIN šinu.
5. Temperatura na kojoj ovi moduli mogu ispravno raditi. Tako je smanjena radna temperatura za mjerne instrumente koji rade sa strujom i naponom u pravilu -40 C, ali postoje proizvodi koji ostaju radni na -50, pa čak i -55 C. Povećana radna temperatura za većinu modernih proizvoda dostiže +85C; postoje uzorci koji rade na +105C.

Klasifikacija pretvarača prema principu konstrukcije.

1. Konvertor direktnog pojačanja. Prednosti: kompaktna veličina, mala potrošnja energije, mogućnost rada sa električnim signalima od nekoliko ampera do desetina kiloampera, niska cijena. Koriste se za rad sa signalima u frekvencijskom rasponu od jednosmjerne struje do 25, rjeđe 50 kHz. Greška konverzije i nelinearnost unutar nekoliko procenata. Ovaj tip proizvoda ima visoku sposobnost preopterećenja, relativno je jeftin i kompaktan.
2. Mjerači sa 100% povratnom informacijom, također poznati kao senzori "kompenzacije" ili "nula fluksa". Kao što naziv implicira, njegova glavna karakteristika je prisustvo kruga zatvorenog duž magnetskog toka. Takvi uređaji se koriste za pretvaranje primarnog signala od stotina miliampera do desetina kiloampera, bilo kojeg oblika i frekvencije, počevši od istosmjerne struje i završavajući na razini od 100-150-200 kHz. Konvertori signala kompenzacijskih podataka odlikuju se boljom preciznošću, linearnošću i otpornošću na vanjska magnetna polja. Opseg konverzije ovih instrumenata je niži od dizajna direktnog pojačanja
3. Senzor napona. Vrsta kompenzacijskog uređaja za uređaj za pretvarač električnog signala, kojeg karakterizira prisutnost ugrađenog primarnog namotaja s velikim brojem zavoja. Mjerenje napona nastaje pretvaranjem malog primarnog signala (obično pri nominalnom naponu od 5 ili 10 mA, izbor ovisi o dizajneru), određenog otpornikom spojenim serijski sa primarnim namotajem, u proporcionalni izlazni signal. Ovi uređaji imaju prilično širok raspon ulaznih napona, ali imaju ograničenja na frekvenciju ulaznog signala, budući da primarni namotaj ima značajnu induktivnost.
4. Relativno nov tip pretvarača, integrisani, je razvoj kola za direktno pojačanje. Prednosti: male dimenzije, niska cijena. Tokom vremena od pojave 1879. do danas, uređaji koji rade na efektu koji je otkrio Edwin Hall su se vrlo, vrlo primjetno promijenili. Povećane su točnost i pouzdanost, temperaturna stabilnost je značajno poboljšana, a dimenzije i cijene ovih mehanizama se stalno smanjuju. Sva ova poboljšanja su postala moguća kako kao rezultat razvoja tehnologije u proizvodnji elektronskih komponenti, tako i kao rezultat novih zahtjeva za ovu klasu proizvoda. Sve se više koriste u modernom životu, zasićenom elektronskim i električnim uređajima.

Moderna industrija postavlja posebne zahtjeve za pouzdanost i stabilnost električnih pretvarača podataka koji se koriste za praćenje rada i upravljanja složenim sistemima. To nas tjera da nastavimo poboljšavati dizajn uređaja, poboljšavajući njihove tehničke karakteristike, čineći ih sve pouzdanijim, jednostavnijim i lakšim za korištenje.

Po pravilu, početnik programer ide u krajnosti, postavlja tačnost ne goru od 0,1% i frekvencijski odziv od 100 kHz, a zatim se dugo čudi što mu predloženo rješenje košta uporedivo s cijenom polovinu, ili čak cijeli njegov razvoj. U većini modernih aplikacija, poboljšanjem parametara energetskih poluprovodnika, tačnost od 1-2% je više nego dovoljna, a ključni faktor pri odabiru pretvarača postaje pouzdanost i stabilnost, ali ova pitanja nisu direktno povezana s dizajnom kola i vrijedna su odvojenog razmatranja.

Holov efekat je 1879. godine otkrio američki naučnik Edwin Herbert Hall. Njegova suština je sljedeća (vidi sliku). Ako struja prolazi kroz provodnu ploču i magnetsko polje je usmjereno okomito na ploču, tada će se na ploči pojaviti napon u smjeru poprečnom na struju (i smjer magnetskog polja): Uh = (RhHlsinw) /d, gdje je Rh Holov koeficijent, u zavisnosti od materijala provodnika; H - jačina magnetnog polja; I - struja u provodniku; w je ugao između smjera struje i vektora indukcije magnetskog polja (ako je w = 90°, sinw = 1); d je debljina materijala.

Zbog činjenice da je izlazni efekat određen proizvodom dvije veličine (H i I), Hallovi senzori imaju vrlo široku primjenu. U tabeli su prikazani Hallovi koeficijenti za različite metale i legure. Oznake: T - temperatura; B - magnetni fluks; Rh - Halov koeficijent u jedinicama m3 / Cl.

Beskontaktni prekidači zasnovani na Holovom efektu su se prilično široko koristili u inostranstvu od ranih 70-ih. Prednosti ovog prekidača su visoka pouzdanost i izdržljivost, male dimenzije, a nedostaci konstantna potrošnja energije i relativno visoka cijena.

Princip rada Holovog generatora

Hall senzor ima dizajn utora. Na jednoj strani utora nalazi se poluprovodnik kroz koji teče struja pri uključivanju paljenja, a na drugoj strani je permanentni magnet.

U magnetskom polju, sila se primjenjuje na elektrone koji se kreću. Vektor sile je okomit na smjer magnetske i električne komponente polja.

Ako poluvodičku ploču (na primjer, od indijum arsenida ili indijum antimonida) uvedete u magnetsko polje s indukcijom B, kroz koje teče električna struja, tada na stranama nastaje razlika potencijala, okomito na smjer struje. Holov napon (Halov emf) je proporcionalan struji i magnetskoj indukciji.

Između ploče i magneta postoji razmak. U otvoru senzora nalazi se čelični ekran. Kada u procjepu nema ekrana, na poluvodičku ploču djeluje magnetsko polje i s nje se uklanja potencijalna razlika. Ako se u procjepu nalazi ekran, tada se magnetske linije sile zatvaraju kroz ekran i ne djeluju na ploču; u tom slučaju na ploči ne nastaje razlika potencijala.

Integrirani krug pretvara razliku potencijala stvorenu na ploči u impulse negativnog napona određene veličine na izlazu senzora. Kada je ekran u razmaku senzora, na njegovom izlazu će biti napon, ali ako nema ekrana u procjepu senzora, tada je napon na izlazu senzora blizu nule.

O Hallovom efektu je mnogo napisano, ovaj efekat se intenzivno koristi u tehnologiji, ali ga naučnici nastavljaju proučavati. Godine 1980. njemački fizičar Claus von Klitzung proučavao je Hallov efekat na ultra niskim temperaturama. U tankoj poluvodičkoj ploči, von Klitzung je glatko promijenio jačinu magnetnog polja i otkrio da se Holov otpor ne mijenja glatko, već naglo. Veličina skoka nije ovisila o svojstvima materijala, već je bila kombinacija osnovnih fizičkih konstanti podijeljenih konstantnim brojem. Ispostavilo se da su zakoni kvantne mehanike na neki način promijenili prirodu Hallovog efekta. Ova pojava je nazvana integralni kvantni Holov efekat. Za ovo otkriće von Klitzung je 1985. dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Dvije godine nakon von Klitzungovog otkrića, u laboratoriji Bell Telephone (istoj laboratoriji u kojoj je otkriven tranzistor), Stormer i Tsuijevi saradnici proučavali su kvantni Hallov efekat koristeći izuzetno čist, veliki uzorak galij arsenida proizveden u istoj laboratoriji. Uzorak je imao tako visok stepen čistoće da su elektroni prolazili kroz njega od kraja do kraja bez nailaska na prepreke. Stormerov i Tsuijev eksperiment odvijao se na mnogo nižoj temperaturi (skoro apsolutna nula) i sa snažnijim magnetnim poljima od von Klitzungovog eksperimenta (milion puta jači od).

Na veliko iznenađenje, Stormer i Tsui su otkrili skok Holovog otpora tri puta veći od von Klitzungovog. Tada su našli još veće skokove. Rezultat je bila ista kombinacija fizičkih konstanti, ali podijeljena ne cijelim brojem, već razlomkom. Fizičari smatraju da je naboj elektrona konstanta koja se ne može podijeliti na dijelove. I činilo se da ovaj eksperiment uključuje čestice s frakcijskim nabojem. Efekat je nazvan frakcijskim kvantni Hallov efekt.

Godinu dana nakon ovog otkrića, član Laflinove laboratorije dao je teorijsko objašnjenje efekta. On je naveo da kombinacija ultra-niske temperature i snažnog magnetnog polja uzrokuje da elektroni formiraju nestišljivu kvantnu tekućinu. Ali slika, koristeći kompjutersku grafiku, prikazuje tok elektrona (kuglica) koji probijaju ravninu. Hrapavost ravni predstavlja raspodjelu naboja jednog od elektrona u prisustvu magnetskog polja i naboja drugih elektrona. Ako se kvantnoj tekućini doda elektron, tada se formira određeni broj kvazičestica s frakcijskim nabojem (na slici je to prikazano kao skup strelica za svaki elektron).
1998. Horst Stormer, Daniel Tsui i Robert Laughlin dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. Trenutno, H. Stormer je profesor fizike na Univerzitetu Kolumbija, D. Tsui je profesor na Univerzitetu Princeton, a R. Laughlin je profesor na Univerzitetu Stanford.

Za uspješno automatizaciju različitih tehnoloških procesa i efikasno upravljanje instrumentima, uređajima, mašinama i mehanizmima potrebno je stalno mjerenje i kontrola mnogih parametara i fizičkih veličina. Stoga su senzori koji daju informacije o stanju kontroliranih uređaja postali sastavni dio automatskih sistema.

U svojoj srži, svaki senzor je sastavni dio regulacijskih, signalnih, mjernih i upravljačkih uređaja. Uz njegovu pomoć, jedna ili druga kontrolirana veličina se pretvara u određenu vrstu signala, koji omogućava mjerenje, obradu, registraciju, prijenos i pohranjivanje primljenih informacija. U nekim slučajevima senzor može utjecati na kontrolirane procese. Senzor struje koji se koristi u mnogim uređajima i mikro krugovima u potpunosti posjeduje sve ove kvalitete. Konvertuje efekte električne struje u signale pogodne za dalju upotrebu.

Klasifikacija senzora

Senzori koji se koriste u različitim uređajima klasificirani su prema određenim karakteristikama. Ako je moguće izmjeriti ulazne veličine, to mogu biti: električni, pneumatski, senzori brzine, mehaničkih kretanja, pritiska, ubrzanja, sile, temperature i drugi parametri. Među njima, mjerenje električnih i magnetskih veličina zauzima oko 4%.

Svaki senzor pretvara ulaznu vrijednost u neki izlazni parametar. Ovisno o tome, upravljački uređaji mogu biti neelektrični ili električni.

Među potonjima, najčešći su:

• DC senzori
• AC amplitudni senzori
• Senzori otpora i drugi slični uređaji.

Glavna prednost električnih senzora je mogućnost prijenosa informacija na određene udaljenosti velikom brzinom. Upotreba digitalnog koda osigurava visoku tačnost, brzinu i povećanu osjetljivost mjernih instrumenata.

Princip rada

Prema principu rada svi senzori su podijeljeni u dva glavna tipa. Oni mogu biti generatori - direktno pretvaraju ulazne veličine u električni signal. Parametarski senzori uključuju uređaje koji pretvaraju ulazne veličine u promijenjene električne parametre samog senzora. Osim toga, mogu biti reostatski, omski, fotoelektrični ili optoelektronski, kapacitivni, induktivni itd.

Svi senzori imaju određene zahtjeve za svoj rad. U svakom uređaju ulazne i izlazne veličine moraju biti direktno zavisne jedna od druge. Sve karakteristike moraju biti stabilne tokom vremena. U pravilu, ove uređaje karakterizira visoka osjetljivost, mala veličina i težina. Mogu raditi u raznim okruženjima i mogu se instalirati na različite načine.

Moderni strujni senzori

Strujni senzori su uređaji koji se koriste za određivanje jačine jednosmjerne ili naizmjenične struje u električnim krugovima. Njihov dizajn uključuje magnetno jezgro s razmakom i kompenzacijskim namotom, kao i elektronsku ploču koja obrađuje električne signale. Glavni osjetljivi element je Hallov senzor, fiksiran u procjepu magnetskog kola i spojen na ulaz pojačala.

Princip rada je uglavnom isti za sve takve uređaje. Pod utjecajem izmjerene struje nastaje magnetsko polje, a zatim se pomoću Hallovog senzora stvara odgovarajući napon. Ovaj napon se zatim pojačava na izlazu i primjenjuje na izlazni namotaj.

Glavne vrste strujnih senzora:

Senzori direktnog pojačanja (O/L). Male su veličine i težine i imaju nisku potrošnju energije. Opseg konverzije signala je značajno proširen. Omogućava izbjegavanje gubitaka u primarnom kolu. Rad uređaja zasniva se na magnetnom polju koje stvara primarnu struju IP. Zatim se magnetsko polje koncentriše u magnetskom kolu i njegovu daljnju transformaciju pomoću Hallovog elementa u zračnom procjepu. Signal primljen od Hall elementa se pojačava i na izlazu se formira proporcionalna kopija primarne struje.

Senzori struje (Eta). Karakterizira ih širok raspon frekvencija i prošireni raspon konverzija. Prednosti ovih uređaja su niska potrošnja energije i mala latencija. Rad uređaja podržan je unipolarnim napajanjem od 0 do +5 volti. Rad uređaja zasniva se na kombinovanoj tehnologiji koja koristi vrstu kompenzacije i direktno pojačanje. Ovo rezultira značajno poboljšanim performansama senzora i uravnoteženijim radom.

Senzori kompenzacije struje (C/L). Odlikuje ih širok raspon frekvencija, visoka preciznost i niska latencija. Uređaji ovog tipa nemaju gubitak primarnog signala, imaju odlične karakteristike linearnosti i nizak temperaturni drift. Kompenzacija magnetnog polja stvorenog primarnom strujom IP, nastaje zbog istog polja generiranog u sekundarnom namotu. Generisanje sekundarne kompenzacione struje vrši Hall element i elektronika samog senzora. Konačno, sekundarna struja je proporcionalna kopija primarne struje.

Senzori kompenzacije struje (tip C). Nesumnjive prednosti ovih uređaja su širok frekvencijski raspon, visoka tačnost informacija, odlična linearnost i smanjen temperaturni drift. Osim toga, ovi instrumenti mogu mjeriti rezidualne struje (CD). Imaju visok nivo izolacije i smanjene smetnje sa primarnim signalom. Dizajn se sastoji od dva toroidna magnetna jezgra i dva sekundarna namotaja. Rad senzora se zasniva na kompenzaciji ampera. Mala struja iz primarnog kola prolazi kroz primarni otpornik i primarni namotaj.

PRIME strujni senzori. Za pretvaranje izmjenične struje koristi se širok dinamički raspon. Uređaj karakterizira dobra linearnost, neznatni temperaturni gubici i odsustvo magnetnog zasićenja. Prednost dizajna su male dimenzije i težina, visoka otpornost na razne vrste preopterećenja. Preciznost očitavanja ne zavisi od toga kako je kabl pozicioniran u rupi i na njega ne utiču spoljna polja. Ovaj senzor ne koristi tradicionalnu zavojnicu otvorene petlje, već senzorsku glavu sa senzorskim štampanim pločama. Svaka ploča se sastoji od dva odvojena namotaja sa vazdušnim jezgrom. Svi su montirani na jednoj osnovnoj štampanoj ploči. Od senzorskih ploča formiraju se dva koncentrična kruga na čijim se izlazima zbraja inducirani napon. Kao rezultat, dobivaju se informacije o parametrima amplitude i faze mjerene struje.

Senzori struje (tip IT). Odlikuje se visokom preciznošću, širokim frekventnim opsegom, niskim izlaznim šumom, visokom temperaturnom stabilnošću i malim preslušavanjem. Dizajn ovih senzora ne sadrži Hall elemente. Primarna struja stvara magnetsko polje, koje se naknadno kompenzira sekundarnom strujom. Na izlazu je sekundarna struja proporcionalna kopija primarne struje.

Prednosti strujnih senzora u modernim kolima

Trenutni senzorski čipovi igraju veliku ulogu u očuvanju energije. To je olakšano niskom potrošnjom energije. Integrirana kola kombinuju sve potrebne elektronske komponente. Karakteristike uređaja su značajno poboljšane zahvaljujući zajedničkom radu senzora magnetnog polja i sve druge aktivne elektronike.

Moderni strujni senzori omogućavaju daljnje smanjenje veličine jer je sva elektronika integrirana u jedan zajednički čip. To je dovelo do novih inovativnih kompaktnih dizajnerskih rješenja, uključujući primarnu sabirnicu. Svaki novi strujni senzor ima povećanu izolaciju i uspješno komunicira s drugim vrstama elektroničkih komponenti.

Najnoviji dizajn senzora omogućava im da se instaliraju u postojeće instalacije bez odvajanja primarnog vodiča. Sastoje se od dva dijela i odvojivi su, što omogućava da se ovi dijelovi lako instaliraju na primarni provodnik bez ikakvog odvajanja.

Svaki senzor ima tehničku dokumentaciju koja odražava sve potrebne informacije koje omogućavaju preliminarne proračune i određivanje lokacije najoptimalnije upotrebe.

Mjerenje i praćenje strujnog toka je osnovni zahtjev za širok spektar primjena, uključujući strujne sklopove za zaštitu od prekomjerne struje, punjače baterija, prekidače napajanja, programabilne izvore struje, itd. Jedna od najjednostavnijih metoda za mjerenje struje je korištenje otpornika niskog otpora - šant između opterećenja i zajedničke žice, pad napona na kojem je proporcionalan struji koja teče. Uprkos činjenici da je ova metoda vrlo jednostavna za implementaciju, tačnost mjerenja ostavlja mnogo da se poželi, jer Otpor šanta ovisi o temperaturi, koja nije konstantna. Osim toga, ova metoda ne dozvoljava galvansku izolaciju između opterećenja i mjerača struje, što je vrlo važno u aplikacijama gdje se opterećenje napaja visokim naponom.

Glavni nedostaci mjerenja struje pomoću otpornog šanta su:

• opterećenje nema direktnu vezu sa "zemljom";
• nelinearnost mjerenja zbog temperaturnog drifta otpora otpornika;
• odsustvo galvanske izolacije između opterećenja i mjernog kruga.

U ovom članku ćemo se osvrnuti na ekonomičan i precizan integrirani strujni senzor ACS712, njegov princip rada zasnovan na Hall efektu, karakteristike i način povezivanja na mikrokontroler za mjerenje istosmjerne struje. Članak je podijeljen u dva dijela: prvi je posvećen dizajnu i karakteristikama senzora, drugi je o interfejsu sa mikrokontrolerom i radu sa senzorom.

Senzor struje ACS712 je zasnovan na principu koji je 1879. otkrio Edwin Hall i dobio ime po njemu. Hallov efekat je sljedeći: ako se provodnik sa strujom stavi u magnetsko polje, tada se na njegovim rubovima pojavljuje emf, usmjeren okomito i na smjer struje i na smjer magnetskog polja. Učinak je ilustrovan na slici 2. Struja I teče kroz tanku ploču od poluprovodničkog materijala, nazvanu Hallov element. U prisustvu magnetnog polja, Lorentzova sila djeluje na pokretne nosioce naboja (elektrone), savijajući putanju elektrona, što dovodi do preraspodjele prostornih naboja u Hall elementu. Kao rezultat toga, emf nazvan Hallov emf javlja se na rubovima ploče paralelno sa smjerom strujanja struje. Ova emf je proporcionalna vektorskom proizvodu indukcije B i gustine struje I i ima tipičnu vrijednost reda veličine nekoliko mikrovolti.

ACS712 je dostupan u minijaturnom 8-izvodnom SOIC paketu za površinsku montažu (Slika 3). Sastoji se od preciznog, low-bias linearnog senzora Hall efekta i bakrenog provodnika koji prolazi blizu površine čipa i djeluje kao signalna staza za struju (slika 4). Struja koja teče kroz ovaj provodnik stvara magnetno polje koje opaža Hallov element ugrađen u kristal. Jačina magnetnog polja linearno zavisi od struje koja prolazi. Ugrađeni kondicioner signala filtrira napon koji generiše senzorski element i pojačava ga do nivoa koji se može izmeriti korišćenjem ADC mikrokontrolera.

Slika 5 prikazuje pinout ACS712 i tipičan dijagram ožičenja. Pinovi 1, 2 i 3,4 formiraju provodni put za izmjerenu struju sa unutrašnjim otporom od oko 1,2 mOhm, što određuje vrlo male gubitke snage. Njegova debljina je odabrana tako da uređaj može izdržati jačinu struje pet puta veću od maksimalno dozvoljene vrijednosti. Kontakti provodnika napajanja su električni izolovani od terminala senzora (pinovi 5 - 8). Izračunata snaga izolacije je 2,1 kV rms.

U niskofrekventnim aplikacijama, često je potrebno uključiti jednostavan RC filter na izlaz uređaja kako bi se poboljšao omjer signal-šum. ACS712 sadrži interni otpornik R F koji povezuje izlaz pojačavača signala na čipu sa ulazom izlaznog bafer kola (vidi sliku 6). Jedan od priključaka otpornika dostupan je na pinu 6 mikrokola, na koji je spojen vanjski kondenzator CF. Treba napomenuti da upotreba filtarskog kondenzatora povećava vrijeme porasta izlaznog signala senzora i stoga ograničava širinu opsega ulaznog signala. Maksimalni propusni opseg je 80 kHz sa kapacitivnošću filterskog kondenzatora jednakim nuli. Kako se kapacitivnost C F povećava, širina pojasa se smanjuje. Da bi se smanjio nivo buke u nominalnim uslovima, preporučuje se ugradnja kondenzatora C F kapaciteta 1 nF.

ACS712 Osjetljivost i izlazni napon

Izlazni napon senzora je proporcionalan struji koja teče kroz provodni put (od pinova 1 i 2 do pinova 3 i 4). Dostupne su tri verzije trenutnog senzora za različite mjerne opsege:

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

Odgovarajući nivoi osetljivosti su 185 mV/A, 100 mA/V i 66 mV/A. Sa nultom strujom koja teče kroz senzor, izlazni napon je jednak polovini napona napajanja (Vcc/2). Treba napomenuti da su izlazni napon nulte struje i osjetljivost ACS712 proporcionalni naponu napajanja. Ovo je posebno korisno kada se senzor koristi u kombinaciji s ADC-om.

Preciznost bilo kog ADC zavisi od stabilnosti izvora referentnog napona. Većina mikrokontrolerskih kola koristi napon napajanja kao referencu. Stoga, ako je napon napajanja nestabilan, mjerenja ne mogu biti tačna. Međutim, ako je referentni napon ADC postavljen na napon napajanja senzora ACS712, njegov izlazni napon će kompenzirati sve greške A/D konverzije uzrokovane fluktuacijama referentnog napona.

Pogledajmo ovu situaciju na konkretnom primjeru. Pretpostavimo da se za referentni napon ADC-a i napajanje senzora ACS712 koristi zajednički izvor Vcc = 5,0 V. Pri nultoj struji kroz senzor, njegov izlazni napon će biti Vcc/2 = 2,5 V. Ako ADC je 10-bitni (0...1023), tada će konvertovani senzor izlaznog napona odgovarati broju 512. Pretpostavimo sada da je, zbog pomaka, napon napajanja postavljen na 4,5 V. Prema tome, izlaz senzor će biti 4,5 V/2 = 2,25 V, ali će rezultat konverzije i dalje biti broj 512, budući da se referentni napon ADC također smanjio na 4,5 V. Isto tako, osjetljivost senzora će se smanjiti za 4,5/5 = 0,9 puta, što iznosi 166,5 mV/A umjesto 185 mV/A. Kao što vidite, bilo koje fluktuacije referentnog napona neće uzrokovati greške prilikom pretvaranja A/D naponskog izlaza senzora ACS712.

Slika 7 prikazuje nominalne karakteristike prijenosa senzora ACS712-05B pri naponu napajanja od 5,0 V. Odstupanje izlaznog napona je minimalno u rasponu radne temperature zbog inovativne stabilizacijske tehnologije.