Primena Hall senzora. Strujni transformatori - pravo rješenje

Moderni strujni senzori klasificirani su u sljedeće vrste:
- otporni senzori (strujni šantovi);
- senzori struje sa Holovim efektom;
- strujni transformatori;
- optički senzori struje (FOCS) zasnovani na Faradejevom efektu;
- Rogovsky pojas;
- strujna stezaljka
Svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke, koji ograničavaju opseg njegove primjene.

Da

	Otpornici za osjet struje	Strujni transformatori	Hall senzori
Izmjerena struja	Konstantno	Varijabilna	Konstantno i varijabilno
Mjerni opseg struje	Do 20 A	Do 1000A	Do 1000A
Greška mjerenja	1%	5%	10%
Galvanska izolacija	br	tu je	tu je
Gubitak umetanja	tu je	tu je	br
frekvencijski opseg	100 kHz	50/60/400 Hz	200 kHz
Relativni trošak	nisko	visoko	prosjek
Zahtijeva eksterno napajanje	br	br

Glavni nedostatak otpornog strujnog senzora je potreba da se senzor poveže direktno na mjerni krug. Glavni nedostatak strujnog transformatora je to što mjeri samo naizmjenične struje na frekvenciji napajanja. Senzor struje sa Hall efektom ima niz prednosti, a to su mogućnost mjerenja i jednosmjerne i naizmjenične struje, te mala veličina. Njihove glavne prednosti uključuju odsustvo gubitaka snage unesenih iz sistema, širok raspon frekvencija. Nedostaci su potreba za vanjskim napajanjem i temperaturna ovisnost.

Allegro Microsystems strujni senzori

Allegro Microsystems je specijalizovan za dizajn i proizvodnju analogno-digitalnih energetskih IC-a i senzora struje sa Holovim efektom. Za opseg od 5-200 A nude se pametna mikro kola, a za opseg do 1000 A i više linearna mikro kola sa daljinskim merenjem struje. Senzori rade u proširenom temperaturnom opsegu, što im omogućava da se koriste u teškim uslovima rada.
Glavna područja primjene su sistemi automobilske i energetske elektronike, industrijska automatizacija, oprema opće namjene.

Princip rada

Senzori se sastoje od vrlo preciznog linearnog senzora s Hall efektom integriranog na čipu i bakrenog provodnika smještenog blizu čipa. Električna struja, koja teče kroz provodnik, stvara magnetno polje, koje detektuje Holov senzor i pretvara u napon proporcionalan vrednosti ulazne struje.

Kućišta senzora

Za proizvodnju senzora za 5-200 A koristi se flip chip tehnologija, koja pruža niz značajnih prednosti za programera:
- povećana osjetljivost, Hall senzor se nalazi vrlo blizu strujnog provodnika
- visoka galvanska izolacija, do 3600 V rms za 60 sekundi
- nizak otpor primarnog kola, manji od 1 mOhm, smanjeni gubici snage
- standardna kućišta za površinsku montažu.

Senzori za raspon od 50-200 A se proizvode u kućištu vlastitog dizajna - CB. Ovo kućište uključuje bakarni provodnik i analogni Hall senzor i omogućava mjerenje istosmjerne struje do 200 A i impulsa do 1200 A. Senzori su kalibrirani tokom proizvodnje, izdržavaju napon proboja do 4800 V rms tokom 60 sekundi, obezbjeđuju bolju izolaciju do 700 V i ojačana izolacija do 4500 B. Otpor provodnika je 100mΩ, tako da IC ima ultra-niske gubitke snage pri mjerenju maksimalne struje.

Termička kompenzacija

Trenutni senzori koriste patentiranu tehnologiju digitalne temperaturne kompenzacije koja može značajno poboljšati i osjetljivost i grešku izlaznog napona na radnoj tački. Oba parametra se mjere u fazi završnog ispitivanja u dva načina: na sobnoj temperaturi i na 85 ... 150 ° C. Ovi podaci se pohranjuju u EEPROM memoriju. Kao rezultat toga, Allegro senzori imaju ukupnu grešku od ± 1% u rasponu od 25 ... 150 ° C. Ova kalibracija u kasnoj fazi eliminira potrebu za kalibracijom temperature nakon PCB-a.

Primjena strujnih senzora u električnom pogonu

Allegro strujni senzori mogu se koristiti u nekoliko pogonskih jedinica zbog svoje galvanske izolacije i dobrih dV/dt parametara brzine.
Mogu se koristiti za mjerenje istosmjerne struje sabirnice (1), fazne struje (2) ili struje niskog nivoa.

Galvanska izolacija omogućava da se Allegro senzori koriste za direktno mjerenje fazne struje motora. Ovo pojednostavljuje kontrolnu jedinicu i smanjuje buku. Senzori ACS710, ACS711 i ACS716 imaju izlaze greške koji se mogu koristiti za otkrivanje kratkih spojeva ili drugih pojava uzrokovanih velikom strujom.
Glavni senzori struje za električni pogon:

Senzori struje u pojačivačima snage

Ispravna kontrola pojačala snage u baznoj stanici ili prijenosnom radiju je osnova za ispravan kompromis između izlazne snage i efikasnosti.
Bias struja je ključni kontrolni parametar u većini izlaznih stupnjeva, tako da Allegro nudi nekoliko strujnih senzora za ovaj zadatak.

ACS711	Senzor struje 100 kHz u QFN / SOIC kućištu
ACS712	Senzor struje 80 kHz u SOIC kućištu

Prednosti Allegro strujnih senzora

- sposobnost mjerenja jednosmjerne, naizmjenične struje i njihovih kombinacija;
- niski gubici energije i, kao rezultat, niska proizvodnja toplote, smanjene dimenzije i mogućnost kontrole velikih struja;
- ugrađena galvanska izolacija

Visoka tačnost, galvanska izolacija mjernog kruga, termička stabilnost i male dimenzije čine senzore dobrim rješenjem za upotrebu u konvertorskoj tehnici, domaćinstvu, automobilskoj i industrijskoj elektronici.

Senzori 0-50 A

3000 SOICW-16ACS716

Serije	Tip senzora	Napajanje, V	Mjerni opseg, A	Napon izolacije, Vrms	Širina pojasa, kHz	Pace. domet*	Vrsta školjke
ACS709	Bidirectional	3.3, 5	± 12 do 75	2100	120	L	QSOP-24
ACS710	Bidirectional	5	± 12 do 75	120	K
ACS711	Bidirectional	3.3	± 12,5 do 25	<100 В пост.тока	100	E, K	SOIC-8, QFN-12
ACS712	Bidirectional	p> 5	± 5 do 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS713	Jedan put	5	20 do 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS714	Bidirectional	5	± 5 do 30	2100	80	E, L	SOIC-8
ACS715	Jedan put	5	20 do 30	2100	80	E, L	SOIC-8
Bidirectional	3.3	± 75	3000	120	K	SOICW-16
ACS717	Bidirectional	3.3	± 10 do 20	4800	40	K	SOICW-16
ACS718	Bidirectional	6	± 10 do 20	4800	40	K	SOICW-16
ACS764	Jedan put	3.3	16 ili 32	<100 В пост.тока	2	X	QSOP-24

Strujni senzori 50-200 A

* Simbol za temperaturni opseg:
E = -40 ... 85 ° C
K = -40 ... 125 ° C
L = -40 ... 150 ° C
S = -20 ... 85 °C

Sistem notacije
ACS758 L CB TR -100 B-PFF-T
1 2 3 4 5 6 7
1. Serija
2. Raspon temperature:
E = -40 ... 85 ° C
K = -40 ... 125 ° C
L = -40 ... 150 ° C
S = -20 ... 85 °C
3. Tip kućišta:
SV - zgrada SV
LC - SOIC-8
4. Pakovanje:
nije naznačeno. - u pernici
TR - na traci
5. Opseg mjerene struje, A
6. Tip senzora: B - dvosmjerni, U - jednosmjerni
7. Modifikacija kućišta za senzore 50-200A, sastoji se od oznake od 3 slova:
Prvo slovo je plastična kutija
Drugo slovo - strujni provodnik, S - ravan, F - zakrivljen
Treće slovo - vodi, S - prave, F - ugaone

Dodatne informacije

Zdravo svima!

Možda je vrijedno da se malo predstavim - ja sam običan inžinjer strujnih kola kojeg zanimaju i programiranje i još neke oblasti elektronike: DSP, FPGA, radio komunikacija i neke druge. Nedavno sam bezglavo uronio u SDR prijemnike. U početku sam želio svoj prvi članak (nadajmo se ne i posljednji) posvetiti nekoj ozbiljnijoj temi, ali za mnoge će to postati samo čitanje i neće biti od koristi. Stoga je tema odabrana kao visokospecijalizirana i isključivo primijenjena. Također želim napomenuti da će, vjerovatno, svi članci i pitanja u njima biti razmatrani više sa strane sklopa, a ne programera ili bilo koga drugog. Pa, idemo!

Ne tako davno mi je naručeno da dizajniram "Sistem za nadzor energije stambenih zgrada", naručilac se bavi izgradnjom seoskih kuća, pa su neki od vas možda i vidjeli moj uređaj. Ovaj uređaj je mjerio struje potrošnje na svakoj ulaznoj fazi i naponu, istovremeno šaljući podatke preko radio kanala na već instalirani Smart Home sistem + mogao je isključiti starter na ulazu u kuću. Ali današnji razgovor neće biti o njemu, već o njegovoj maloj, ali vrlo važnoj komponenti - trenutnom senzoru. I kao što ste već shvatili iz naslova članka, to će biti "beskontaktni" strujni senzori kompanije Allegro - ACS758-100.
________________________________________________________________________________________________________________________

Možete pogledati tablicu podataka na kojoj ću govoriti o senzoru. Kao što možete pretpostaviti, broj "100" na kraju oznake je granična struja koju senzor može izmjeriti. Iskreno, sumnjam u ovo, čini mi se da zaključci jednostavno neće izdržati 200A dugo vremena, iako je sasvim prikladan za mjerenje udarne struje. U mom uređaju senzor od 100A kontinuirano prolazi kroz sebe najmanje 35A + bez ikakvih problema + postoje pikovi potrošnje do 60A.

Slika 1 - Vanjski izgled senzora ACS758-100 (50/200).

Prije nego što pređete na glavni dio članka, predlažem da se upoznate s dva izvora. Ako imate osnovno znanje o elektronici, onda će vam biti suvišno i slobodno preskočite ovaj pasus. Za ostalo, savjetujem vam da odete na trčanje za opći razvoj i razumijevanje:

1) Hallov efekat. Fenomen i princip rada
2) Moderni strujni senzori
________________________________________________________________________________________________________________________

Pa, krenimo od najvažnije stvari, odnosno označavanja. Kupujem komponente 90% vremena na www.digikey.com. Komponente stižu u Rusiju za 5-6 dana, sajt ima verovatno sve, takođe vrlo zgodnu parametarsku pretragu i dokumentaciju. Tako da se kompletna lista porodičnih senzora može pogledati tamo na zahtjev " ACS758". Moji senzori su kupljeni na istom mestu - ACS758LCB-100B.

Unutar tablice podataka o označavanju sve je naslikano, ali ipak ću obratiti pažnju na ključnu tačku " 100V":

1) 100 - ovo je granica mjerenja u amperima, odnosno moj senzor može mjeriti do 100A;
2) "V"- na ovo pismo vrijedi obratiti posebnu pažnju, umjesto njega može biti i pismo" U Senzor sa slovom B zna mjeriti naizmjeničnu, a time i jednosmjernu struju. Senzor sa slovom U može mjeriti samo jednosmjernu struju.

Također na početku podatkovnog lista nalazi se odličan znak na ovu temu:


Slika 2 – Tipovi strujnih senzora porodice ACS758

Također, jedan od najvažnijih razloga za korištenje ovakvog senzora bio je - galvansku izolaciju... Pinovi za napajanje 4 i 5 nisu električno povezani sa pinovima 1,2,3. Kod ovog senzora komunikacija je samo u obliku indukovanog polja.

Još jedan važan parametar pojavio se u ovoj tabeli - ovisnost izlaznog napona o struji. Ljepota ovog tipa senzora je u tome što imaju naponski izlaz, a ne struju kao klasični strujni transformatori, što je vrlo zgodno. Na primjer, izlaz senzora se može povezati direktno na ADC ulaz mikrokontrolera i očitavanja se mogu uzeti.

Moj senzor ima ovu vrijednost 20 mV / A... To znači da kada struja od 1A teče kroz terminale 4-5 senzora, napon na njegovom izlazu će porasti za 20 mV... Mislim da je logika jasna.

U sljedećem trenutku, koliki je izlazni napon? S obzirom da je napajanje "ljudsko", odnosno unipolarno, onda pri mjerenju naizmjenične struje mora postojati "referentna tačka". Za dati predajnik, ova referentna tačka je 1/2 napajanja (Vcc). Takvo rješenje je često slučaj i zgodno je. Kada struja teče u jednom smjeru, izlaz će biti " 1/2 Vcc + I * 0,02 V", u drugom poluperiodu, kada struja teče u suprotnom smjeru, izlazni napon će biti uži." 1/2 Vcc - I * 0,02V". Na izlazu dobijamo sinusoidu, gdje je "nula". 1 / 2Vcc... Ako mjerimo jednosmjernu struju, tada ćemo na izlazu imati " 1/2 Vcc + I * 0,02 V“, tada, prilikom obrade podataka na ADC-u, jednostavno oduzimamo konstantnu komponentu 1/2 Vcc i radimo sa istinitim podacima, odnosno sa ostatkom I * 0,02V.

Sada je vrijeme da u praksi testiramo ono što sam gore opisao, odnosno oduzeo iz tablice sa podacima. Da bih radio sa senzorom i testirao njegove mogućnosti, napravio sam ovo "mini postolje":

Slika 3 – Mjesto za testiranje strujnog senzora

Prije svega, odlučio sam primijeniti napajanje na senzor i izmjeriti njegov izlaz kako bih bio siguran da je uzet kao "nula" 1/2 Vcc... Dijagram povezivanja se može uzeti u datasheet-u, ali ja, želeći samo da se upoznam, nisam gubio vrijeme i oblikovao filterski kondenzator za napajanje + RC niskopropusni filterski krug na Vout pinu. U pravom uređaju, ne možete nikuda bez njih! Na kraju sam dobio sledecu sliku:

Slika 4 - Rezultat mjerenja "nula"

Kada se primeni struja 5B od mojih šalova STM32VL-Discovery Vidio sam sljedeće rezultate - 2.38V... Prvo pitanje koje se pojavilo: " Zašto 2.38, a ne oni opisani u tablici 2.5?„Pitanje je nestalo gotovo istog trenutka – izmjerio sam strujnu magistralu tokom otklanjanja grešaka, a ima 4,76-4,77V. A stvar je u tome da napajanje dolazi sa USB-a, već postoji 5V, nakon USB-a postoji linearni stabilizator LM7805, a ovo očito nije LDO sa padom od 40 mV.Ovdje na njemu je oko 250 mV i pada.Pa dobro, ovo nije kritično, glavno je znati da je "nula" 2,38 V. To je ta konstanta koju ja će oduzimati prilikom obrade podataka iz ADC-a.

Sada izvršimo prvo mjerenje, za sada samo uz pomoć osciloskopa. Izmjeriću struju kratkog spoja mog reguliranog napajanja, jednaka je 3.06A... Ovo i ugrađeni ampermetar pokazuje i slučajnost dali su isti rezultat. Pa, spajamo izlaze jedinice za napajanje na noge 4 i 5 senzora (na fotografiji imam bačenu vituhu) i vidimo šta se dogodilo:

Slika 5 - Mjerenje struje kratkog spoja PSU-a

Kao što vidimo, napon je uključen Vout povećana od 2,38V do 2,44V... Ako pogledate gornju zavisnost, onda smo trebali dobiti 2,38 V + 3,06 A * 0,02 V / A, što odgovara vrijednosti od 2,44V. Rezultat odgovara očekivanjima, pri struji od 3A dobili smo povećanje na "nulu" jednako 60 mV... Zaključak - senzor radi, već možete raditi s njim pomoću MK-a.

Sada morate spojiti strujni senzor na jedan od ADC pinova na mikrokontroleru STM32F100RBT6. Sam kamenčić je vrlo osrednji, sistemska frekvencija je samo 24 MHz, ali ova marama je dosta toga prošla kod mene i ustalila se. Posjedujem ga vec vjerovatno 5 godina, jer je dobijen besplatno u vrijeme kada se ST dijelio desno i lijevo.

Isprva sam, iz navike, htio staviti op-pojačalo sa koeficijentom nakon senzora. dobiti "1", ali, gledajući strukturni dijagram, shvatio sam da je on već unutra. Jedino što vrijedi uzeti u obzir je da će pri maksimalnoj struji izlazna snaga biti jednaka napajanju senzora Vcc, odnosno oko 5V, a STM može mjeriti od 0 do 3,3V, pa je u ovom slučaju potrebno staviti otporni djelitelj napona, na primjer, 1: 1,5 ili 1: 2. Struja mi je oskudna, pa ću ovaj trenutak za sada zanemariti. Moj test uređaj izgleda ovako:

Slika 6 - Sastavljanje našeg "ampermetra"

Također, da bih vizualizirao rezultate, zašrafio sam kineski displej na ILI9341 kontroler, pošto je ležao pri ruci, a ruke mi nikako nisu dopirale do njega. Da bih napisao potpunu biblioteku za njega, ubio sam nekoliko sati i šoljicu kafe, jer je datasheet bio iznenađujuće informativan, što je rijetkost za zanate sinova Jackie Chana.

Sada treba da napišemo funkciju za merenje Vout koristeći ADC mikrokontrolera. Neću vam govoriti detaljno, već postoji more informacija i lekcija o STM32. Pa samo pogledajte:

Uint16_t get_adc_value () (ADC_SoftwareStartConvCmd (ADC1, ENABLE); dok (ADC_GetFlagStatus (ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); vrati ADC_GetConversionValue (ADC1);)
Nadalje, da biste dobili rezultate ADC mjerenja u izvršnom kodu glavnog tijela ili prekida, potrebno je registrovati sljedeće:

Data_adc = get_adc_value ();
Prethodno deklarisanjem varijable data_adc:

Extern uint16_t data_adc;
Kao rezultat, dobijamo varijablu data_adc, koja uzima vrijednost od 0 do 4095, jer ADC u STM32 je 12-bitni. Zatim, rezultat "u papagajima" trebamo pretvoriti u nama poznatiji oblik, odnosno u amperima. Stoga je potrebno prvo izračunati cijenu podjele. Nakon stabilizatora na 3.3V sabirnici, moj osciloskop je pokazao 3.17V, nisam počeo da shvaćam s čim je to povezano. Dakle, dijeljenjem 3,17V sa 4095, dobijamo vrijednost 0,000774V - ovo je cijena podjele. Odnosno, nakon što sam dobio rezultat od ADC-a, na primjer, 2711, jednostavno ga pomnožim sa 0,000774V i dobijem 2,09V.

U našem zadatku napon je samo "posrednik"; još ga trebamo prevesti u ampere. Da bismo to učinili, od rezultata trebamo oduzeti 2,38B, a ostatak podijeliti sa 0,02 [B / A]. Dobili smo sljedeću formulu:

Float I_out = (((((float) data_adc * presc) -2,38) /0,02);
Pa, vrijeme je da učitate firmver u mikrokontroler i vidite rezultate:

Slika 7 – Rezultati mjernih podataka sa senzora i njihova obrada

Izmjerio sam vlastitu potrošnju kruga kako se vidi na 230 mA. Izmjerivši isto s provjerenim fluksom, pokazalo se da je potrošnja 201 mA. Pa, jedno decimalno mjesto je već jako cool. Da objasnim zašto... Opseg merene struje je 0..100A, odnosno tačnost do 1A je 1%, a tačnost do desetinki ampera je već 0,1%! I imajte na umu, ovo je bez ikakvih rješenja za kola. Bio sam čak i previše lijen da okačim provodnike za filtriranje struje.

Sada je potrebno izmjeriti struju kratkog spoja (SC) mog napajanja. Okrenem ručicu do maksimuma i dobijem sljedeću sliku:

Slika 8 – Mjerenja struje kratkog spoja

Pa, zapravo očitanja na samom izvoru s vlastitim ampermetrom:

Slika 9 - Vrijednost na skali BP

U stvari, pokazivao je 3,09A, ali dok sam fotografirao, vitukha se zagrijala, a otpor joj se povećao, a struja je, shodno tome, pala, ali to nije tako strašno.

Zaključno, ne znam ni šta da kažem. Nadam se da će moj članak nekako pomoći početnicima radio-amaterima na njihovom teškom putu. Možda će se nekome svidjeti moja prezentacija materijala, onda mogu nastaviti povremeno pisati o radu s raznim komponentama. Svoje želje na temu možete izraziti u komentarima, pokušaću da uzmem u obzir.

Za ispravan, pouzdan i nesmetan rad savremenih proizvoda energetske i ne baš elektronike, veoma je važno pravilno odrediti veličine i oblike napona i struja koje deluju u uređaju. Sudbina projekta, finansijski uspjeh ili neuspjeh u radu, pa čak i životi ljudi mogu ovisiti o izboru tako naizgled jednostavnog elementa kao što je mjerač električne struje ili napona. Jedna od najpogodnijih za takva mjerenja (ubuduće ćemo pokušati koristiti termin "transformacija", budući da LLC "DTiN Laboratory" podržava mišljenje da senzori, po definiciji, nisu mjerni instrumenti) opcija su mjerači, rad od kojih se zasniva na Hall efektu. Prednost ovih pretvarača je odsustvo gubitaka energije u kontrolisanom kolu, galvanska izolacija između ulaznog i izlaznog kola, brzina, mogućnost rada u širokom rasponu temperatura i napona napajanja, mogućnost direktnog povezivanja sa raznim nadzornim i kontrolni uređaji.

Preciznost mjerača s Hallovim efektom je u rasponu od 0,2 do 2 posto i ovisi prije svega o strujnom kolu korištenom u dizajnu uređaja. Široko se koriste u raznim električnim instalacijama, po pravilu u zaštitnim, nadzornim i upravljačkim krugovima, ali se, na primjer, zbog brojnih ograničenja, praktički nikada ne koriste za komercijalno mjerenje električne energije. Slični pretvarači električnih signala mogu se naći i u modernom aparatu za zavarivanje, iu sistemu upravljanja liftom, iu automobilu, a rad željezničkog transporta danas je nezamisliv bez ovih uređaja. Uređaji sa Hall efektom 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, ovaj efekat je mnogo puta opisan u širokom spektru literature. Zasniva se na pojavi poprečne razlike električnog potencijala u provodniku konstantne struje u magnetskom polju.

Na šta trebate obratiti pažnju pri odabiru uređaja za mjerenje indikatora

1. Napon napajanja. Za industrijske mjerne uređaje 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 za povezivanje sa kontrolnim i upravljačkim jedinicama.
2. Preciznost konverzije. Kao što smo već spomenuli, postojeća brojila koja rade na efektu Edwin Halla imaju tačnost od 0,2 do 2 posto, dok je ovaj parametar obično određen načinom na koji je sam mjerač izgrađen – prema direktnoj shemi pojačanja ili kompenzaciji, sa 100% povratnom spregom. Kao iu većini slučajeva, precizniji mjerni uređaj kompenzacijskog tipa za istu nazivnu električnu struju je skuplji od svog kolege, sastavljenog prema shemi direktnog pojačanja, u pravilu ima velike 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 amperažom u rasponu od nekoliko stotina miliampera do nekoliko hiljada ampera. Naravno, takav mehanizam je 10kA i više, skuplji od svog kolege za 25A.
4. Okvir. Ove jedinice mogu imati različite tipove kućišta. Postoje 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, niska potrošnja energije, mogućnost rada s električnim signalima od jedinica ampera do desetina kiloampera, niska cijena. Koriste se za rad sa signalima u frekvencijskom opsegu od DC do 25, rjeđe 50 kHz. Greška konverzije i nelinearnost unutar jedinica postotaka. Ovaj tip proizvoda ima visoku sposobnost preopterećenja, relativno je jeftin i kompaktan.
2. Mjerači sa 100% povratnom informacijom, također poznati kao senzori "kompenzacije" ili "nulti fluks". Kao što naziv implicira, njegova glavna karakteristika je prisustvo petlje zatvorene u magnetskom toku. Takvi uređaji se koriste za pretvaranje primarnog signala od stotina miliampera do desetina kiloampera, bilo kojeg oblika i frekvencije, u rasponu od istosmjerne struje i završavajući na nivou od 100-150-200 kHz. Kompenzacijski pretvarači ovih signala odlikuju se najboljom preciznošću, linearnošću i otpornošću na vanjska magnetna polja. Opseg konverzije ovih instrumenata je manji nego kod dizajna direktnog pojačanja.
3. Senzor napona. Vrsta kompenzacijskog uređaja uređaja za pretvaranje električnog signala, kojeg karakterizira prisutnost ugrađenog primarnog namotaja s velikim brojem zavoja. Napon se mjeri pretvaranjem malog primarnog signala (obično pri nominalnom naponu od 5 ili 10 mA, izbor zavisi od programera), postavljenog otpornikom spojenim serijski sa primarnim namotajem, u proporcionalni izlazni signal. Ovi se uređaji razlikuju u prilično širokom rasponu ulaznih napona, ali imaju ograničenja na frekvenciju ulaznog signala, budući da primarni namotaj ima značajnu induktivnost.
4. Relativno novi tip pretvarača - integralni, je razvoj kola za direktno pojačavanje. Prednost je mala veličina, niska cijena. Tokom vremena od trenutka njihovog pojavljivanja 1879. godine 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, dimenzije i cijene ovih mehanizama se stalno smanjuju. Sva ova poboljšanja su postala moguća kako kao rezultat razvoja tehnologija u proizvodnji elektronskih komponenti, tako i kao rezultat novih zahtjeva za ovu klasu proizvoda. Sve se više koristi u modernom životu, zasićenom elektronskim i električnim uređajima.

Moderna industrija postavlja posebne zahtjeve za pouzdanost i stabilnost rada električnih pretvarača podataka koji se koriste za praćenje rada i upravljanje složenim sistemima. Zbog toga je potrebno nastaviti s poboljšanjem dizajna uređaja, poboljšavajući njihove tehničke karakteristike, čineći ih sve pouzdanijim, jednostavnijim i praktičnijim 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 usporedivo s cijenom pola, ili čak čitavog njegovog razvoja. U većini savremenih primena, zbog poboljšanja parametara energetskih poluprovodnika, tačnost od 1-2% je više nego dovoljna, a ključni faktor pri izboru pretvarača je pouzdanost i stabilnost rada, ali ova pitanja nisu direktno povezana sa kola i vrijedni su posebnog razmatranja.

Holov efekat je 1879. godine otkrio američki naučnik Edwin Herbert Hall. Njegova suština je sljedeća (vidi sliku). Ako struja prolazi kroz provodnu ploču, a magnetsko polje je usmjereno okomito na ploču, tada će se na ploči pojaviti napon u smjeru poprečne struje (i smjeru magnetskog polja): Uh = (RhHlsinw ) / d, gdje je Rh Holov koeficijent, koji zavisi od materijala provodnika; H je jačina magnetnog polja; I je struja u provodniku; w je ugao između smjera struje i vektora magnetske indukcije (ako je w = 90°, sinw = 1); d - 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. Legenda: T - temperatura; B - magnetni fluks; Rh - Halov koeficijent u jedinicama m3/C.

Prekidači blizine sa Holovim efektom se široko koriste u inostranstvu od ranih 1970-ih. Prednosti ovog prekidača su visoka pouzdanost i izdržljivost, male dimenzije, a nedostaci su konstantna potrošnja energije i relativno visoka cijena.

Princip rada Holovog generatora

Hall senzor ima prorezni dizajn. Na jednoj strani utora nalazi se poluprovodnik kroz koji teče struja kada je paljenje uključeno, a na drugoj strani - trajni magnet.

U magnetskom polju, sila djeluje na elektrone koji se kreću. Vektor sile je okomit na smjer komponenti magnetskog i električnog 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 magnetnoj indukciji.

Između ploče i magneta postoji razmak. U zazoru senzora nalazi se čelični štit. Kada nema ekrana u procjepu, magnetsko polje djeluje na poluvodičku ploču 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 ne nastaje razlika potencijala na ploči.

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

O Holovom efektu se dosta pisalo, ovaj efekat se intenzivno koristi u tehnologiji, ali naučnici ga nastavljaju proučavati. Godine 1980. njemački fizičar Klaus von Klitzung proučavao je rad Holovog efekta na ultraniskim temperaturama. U tankoj poluvodičkoj ploči, von Klitzung je glatko promijenio jačinu magnetnog polja i otkrio da se Holov otpor ne mijenja glatko, već u skokovima. 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 u kojoj je otkriven tranzistor), Stormer i Tsui proučavali su kvantni Hallov efekat koristeći izuzetno čist uzorak velikog galij arsenida napravljenog u istoj laboratoriji. Uzorak je bio tako visokog stepena čistoće da su elektroni prolazili s kraja na kraj ne nailazeći na prepreke. Eksperiment Stormera i Tsuija odvijao se na mnogo nižoj temperaturi (skoro apsolutna nula) i sa jačim magnetnim poljima nego u eksperimentu von Klitzunga (milion puta više od).

Na veliko iznenađenje, Stormer i Tsui su otkrili da je Holov otpor tri puta veći od von Klitzungovog. Tada su pronašli još veće skokove. Rezultat je bila ista kombinacija fizičkih konstanti, ali podijeljena ne cijelim, već razlomkom. Fizičari smatraju da je naboj elektrona konstantan, ne djeljiv na dijelove. I u ovom eksperimentu su sudjelovale čestice s frakcijskim nabojem. Efekat je nazvan frakcijskim kvantni Hallov efekt.

Godinu dana nakon ovog otkrića, zaposlenik laboratorije La Flynn 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 crtež pomoću kompjuterske grafike prikazuje tok elektrona (kuglica) koji probijaju ravninu. Nepravilnosti u ravni predstavljaju raspodjelu naboja jednog od elektrona u prisustvu magnetnog 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 je H. Stormer profesor fizike na Univerzitetu Columbia, D. Tsui je profesor na Univerzitetu Princeton, R. Laughlin je profesor na Univerzitetu Stanford.

metal (legura)
Aluminijum
Morgan antimon
Kromirani telur

Godine 1879, dok je radio na svojoj doktorskoj disertaciji na Univerzitetu Johns Hopkins, američki fizičar Edwin Herbert Hall izveo je eksperiment sa zlatnom pločom. Propustio je struju kroz ploču, postavljajući samu ploču na staklo, a osim toga, ploča je bila podvrgnuta djelovanju magnetskog polja usmjerenog okomito na njenu ravninu, i, prema tome, okomito na struju.

Pošteno radi, treba napomenuti da je Hall u tom trenutku bio angažiran na rješavanju pitanja da li otpor zavojnice kroz koju struja teče zavisi od prisustva pored nje, a u sklopu ovog rada naučnici su izveli hiljade eksperimenata . Kao rezultat eksperimenta sa zlatnom pločom, utvrđena je određena razlika potencijala na bočnim rubovima ploče.

Ova napetost se zove Holov napon... Proces se može grubo opisati na sljedeći način: Lorentzova sila dovodi do akumulacije negativnog naboja blizu jedne ivice ploče, a pozitivnog blizu suprotnog ruba. Odnos nastalog Holovog napona i vrednosti longitudinalne struje je karakteristika materijala od kojeg je napravljen određeni Hallov element, a ta vrednost se naziva "Halov otpor".

Služi kao prilično precizna metoda za određivanje vrste nosioca naboja (rupa ili elektron) u poluvodiču ili metalu.

Na osnovu Holovog efekta sada se proizvode Hallovi senzori, uređaji za merenje jačine magnetnog polja i određivanje struje u provodniku. Za razliku od strujnih transformatora, Hall senzori omogućavaju mjerenje istosmjerne struje. Stoga su područja primjene senzora s Hallovim efektom općenito prilično opsežna.

Budući da je napon Hola mali, logično je da se Hallov napon priključi na stezaljke. Za povezivanje s digitalnim čvorovima, krug se dopunjava Schmittovim okidačem i dobiva se uređaj praga koji se pokreće na datom nivou jačine magnetskog polja. Takva kola se nazivaju Hallovi prekidači.

Često se Holov senzor koristi u tandemu sa trajnim magnetom i aktivira se kada se permanentni magnet približi senzoru na određenoj unaprijed određenoj udaljenosti.

Hall senzori su prilično rasprostranjeni u elektromotorima bez četkica ili ventilima (servomotorima), gdje se senzori ugrađuju direktno na stator motora i djeluju kao senzor položaja rotora (RPR), koji daje povratnu informaciju o položaju rotora, slično kao kolektor u kolektorskom DC motoru.

Učvršćivanjem permanentnog magneta na osovinu dobijamo jednostavan brojač obrtaja, a ponekad je dovoljan i efekt zaštite samog feromagnetnog dela na magnetni tok od. Magnetski fluks iz kojeg se obično pokreću Hallovi senzori je 100-200 Gausa.

Proizvedeni od strane moderne elektronske industrije, trovodni Hall senzori imaju n-p-n tranzistor otvorenog kolektora u svom paketu. Često struja kroz tranzistor takvog senzora ne bi trebala prelaziti 20 mA, stoga je za povezivanje snažnog opterećenja potrebno instalirati strujno pojačalo.

Magnetno polje provodnika sa strujom obično nije dovoljno jako da pokrene Hallov senzor, jer je osjetljivost takvih senzora 1-5 mV/G, pa se za mjerenje slabih struja provodnik sa strujom namotava na toroidalno jezgro s razmakom, a Hallov senzor je već instaliran u procjepu ... Dakle, sa razmakom od 1,5 mm, magnetna indukcija će već biti 6 Gs / A.