کاربرد سنسورهای سالن مبدل های فعلی - راه حل مناسب

سنسورهای جریان مدرن به انواع زیر تقسیم می شوند:
- سنسورهای مقاومتی (شنت جریان)؛
- سنسورهای جریان در اثر هال.
- ترانسفورماتورهای جریان؛
- سنسورهای جریان فیبر نوری (FOCS) بر اساس اثر فارادی؛
- کمربند روگوفسکی؛
- گیره های فعلی
هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند که دامنه کاربرد آن را محدود می کند.

آره

	مقاومت های حس جریان	ترانسفورماتورهای جریان	سنسورهای هال
جریان اندازه گیری شده	مقدار ثابت	متغیر	ثابت و متغیر
اندازه گیری محدوده جریان	تا 20 A	تا 1000A	تا 1000A
خطای اندازه گیری	1%	5%	10%
جداسازی گالوانیکی	خیر	وجود دارد	وجود دارد
از دست دادن درج	وجود دارد	وجود دارد	نه
محدوده فرکانس	100 کیلوهرتز	50/60/400 هرتز	200 کیلوهرتز
هزینه نسبی	کم	بالا	میانگین
نیاز به منبع تغذیه خارجی	خیر	خیر

نقطه ضعف اصلی سنسور جریان مقاومتی نیاز به اتصال مستقیم سنسور به مدار اندازه گیری است. نقطه ضعف اصلی ترانسفورماتور جریان اندازه گیری تنها جریان های متناوب فرکانس صنعتی است. سنسور جریان اثر هال دارای چندین مزیت است که شامل قابلیت اندازه گیری جریان مستقیم و متناوب و اندازه کوچک می باشد. مزایای اصلی آنها شامل عدم تلفات توان وارد شده به سیستم، محدوده فرکانس گسترده است. نقطه ضعف آن نیاز به منبع تغذیه خارجی و وابستگی به دما است.

سنسورهای جریان میکروسیستم آلگرو

Allegro Microsystems در طراحی و ساخت ریز مدارهای قدرت آنالوگ به دیجیتال و سنسورهای جریان بر اساس اثر هال تخصص دارد. برای محدوده 5 تا 200 آمپر، ریزمدارهای هوشمند و برای دامنه تا 1000 آمپر و بالاتر، ریز مدارهای خطی با اندازه‌گیری جریان از راه دور ارائه می‌شوند. سنسورها در محدوده دمایی طولانی کار می کنند و به آنها اجازه می دهد در محیط های سخت استفاده شوند.
زمینه های اصلی کاربرد سیستم های الکترونیکی خودرو و قدرت، اتوماسیون صنعتی و تجهیزات همه منظوره است.

اصل عملیات

این حسگرها شامل یک سنسور خطی خطی بسیار دقیق است که روی تراشه یکپارچه شده و یک هادی مسی نزدیک به تراشه قرار گرفته است. جریان الکتریکی که از طریق هادی عبور می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که توسط سنسور هال شناسایی شده و به ولتاژی متناسب با مقدار جریان ورودی تبدیل می شود.

محفظه های سنسور

برای تولید سنسورهای 5-200 A، از فناوری تراشه فلیپ استفاده می شود که تعدادی از مزایای قابل توجهی را برای توسعه دهنده فراهم می کند:
- افزایش حساسیت، سنسور هال بسیار نزدیک به هادی جریان قرار دارد
- ایزولاسیون گالوانیکی بالا، تا 3600 Vrms به مدت 60 ثانیه
- مقاومت کم مدار اولیه، کمتر از 1 mΩ، کاهش تلفات برق
- محفظه های استاندارد برای نصب روی سطح.

سنسورهایی برای محدوده 50-200 A در محفظه ای با طراحی خود ما - SV تولید می شوند. این محفظه شامل هادی مسی و سنسور هال آنالوگ است و جریان DC را تا 200 آمپر و جریان پالسی را تا 1200 آمپر اندازه‌گیری می‌کند. سنسورها کالیبره‌شده کارخانه هستند، ولتاژ 4800 Vrms را به مدت 60 ثانیه تحمل می‌کنند، تا 700 ولت ایزوله می‌کنند و تقویت شده‌اند. عایق تا 4500 B. مقاومت هادی 100mΩ است، بنابراین IC ها هنگام اندازه گیری حداکثر جریان، افت توان بسیار کم دارند.

جبران حرارتی

سنسورهای فعلی از یک فناوری جبرانی حرارتی دیجیتال ثبت شده استفاده می کنند که می تواند خطای حساسیت و ولتاژ خروجی را در نقطه عملیاتی به طور قابل توجهی بهبود بخشد. هر دو پارامتر در مرحله آزمایش نهایی در دو حالت اندازه گیری می شوند: در دمای اتاق و در 85 ... 150 درجه سانتی گراد. این داده ها در حافظه EEPROM ذخیره می شوند. در نتیجه، سنسورهای آلگرو خطای کلی 1±% در محدوده 25…150 درجه سانتیگراد دارند. این کالیبراسیون در آخرین مرحله تولید، نیاز به کالیبراسیون دما را پس از نصب PCB بی نیاز می کند.

استفاده از سنسورهای جریان در درایو الکتریکی

سنسورهای جریان آلگرو را می توان در چندین واحد درایو به دلیل ایزوله گالوانیکی و پارامترهای سرعت dV/dt خوب استفاده کرد.
آنها را می توان برای اندازه گیری جریان باسبار DC (1)، جریان فاز (2) یا جریان سطح پایین استفاده کرد.

جداسازی گالوانیکی امکان استفاده از حسگرهای آلگرو را برای اندازه گیری مستقیم جریان فاز موتور فراهم می کند. این امر واحد کنترل را ساده کرده و نویز را کاهش می دهد. سنسورهای ACS710، ACS711 و ACS716 دارای خروجی خطا هستند که می توان از آنها برای تشخیص اتصال کوتاه یا سایر رویدادهای جریان بالا استفاده کرد.
سنسورهای جریان اصلی برای درایو الکتریکی:

سنسورهای جریان در تقویت کننده های قدرت

کنترل مناسب تقویت کننده قدرت در یک ایستگاه پایه یا رادیو قابل حمل، مبنایی برای مبادله صحیح بین توان خروجی و بازده است.
جریان بایاس یک پارامتر کلیدی برای نظارت در اکثر مراحل خروجی است، بنابراین آلگرو چندین حسگر جریان را برای مقابله با این چالش ارائه می دهد.

ACS711	سنسور جریان 100 کیلوهرتز در بسته QFN/SOIC
ACS712	سنسور جریان 80 کیلوهرتز در بسته SOIC

مزایای سنسورهای جریان آلگرو

- توانایی اندازه گیری جریان مستقیم، جریان متناوب و ترکیب آنها؛
- تلفات کم انرژی و در نتیجه تولید گرمای کم، کاهش ابعاد و توانایی کنترل جریان های بالا.
- عایق گالوانیکی داخلی

دقت بالا، ایزولاسیون گالوانیکی مدار اندازه گیری، پایداری حرارتی و ابعاد کوچک، سنسورها را به راه حل مناسبی برای کاربرد در فناوری مبدل، مصرف کننده، خودرو و الکترونیک صنعتی تبدیل کرده است.

سنسورهای 0-50 A

3000 SOICW-16ACS716

سلسله	نوع سنسور	ولتاژ تغذیه، V	محدوده اندازه گیری، A	ولتاژ عایق، Vrms	پهنای باند، کیلوهرتز	سرعت. دامنه*	نوع پوسته
ACS709	دو جهته	3.3, 5	12 ± 75	2100	120	L	QSOP-24
ACS710	دو جهته	5	12 ± 75	120	ک
ACS711	دو جهته	3.3	12.5 ± 25	<100 В пост.тока	100	E، K	SOIC-8، QFN-12
ACS712	دو جهته	p> 5	± 5 تا 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS713	یک طرفه	5	20 تا 30	2100	80	E	SOIC-8
ACS714	دو جهته	5	± 5 تا 30	2100	80	E، L	SOIC-8
ACS715	یک طرفه	5	20 تا 30	2100	80	E، L	SOIC-8
دو جهته	3.3	± 75	3000	120	ک	SOICW-16
ACS717	دو جهته	3.3	± 10 تا 20	4800	40	ک	SOICW-16
ACS718	دو جهته	6	± 10 تا 20	4800	40	ک	SOICW-16
ACS764	یک طرفه	3.3	16 یا 32	<100 В пост.тока	2	ایکس	QSOP-24

سنسورهای جریان 50-200 A

* نماد محدوده دما:
E = -40…85 درجه سانتیگراد
K = -40…125 درجه سانتیگراد
L = -40…150 درجه سانتیگراد
S = -20…85 درجه سانتیگراد

سیستم نشانه گذاری
ACS758 L CB TR -100 B-PFF-T
1 2 3 4 5 6 7
1. سری
2. محدوده دما:
E = -40…85 درجه سانتیگراد
K = -40…125 درجه سانتیگراد
L = -40…150 درجه سانتیگراد
S = -20…85 درجه سانتیگراد
3. نوع مورد:
SV - ساختمان SV
LC-SOIC-8
4. بسته بندی:
علامت گذاری نشده است - در یک جعبه مداد
TR - روی نوار
5. محدوده جریان اندازه گیری شده، A
6. نوع سنسور: B - دو طرفه، U - یک طرفه
7. تغییر محفظه برای سنسورهای 50-200A، شامل یک علامت 3 حرفی است:
حرف اول - جعبه پلاستیکی
حرف دوم - هادی جریان، S - مستقیم، F - منحنی
حرف سوم - پین ها، S - مستقیم، F - زاویه دار

اطلاعات تکمیلی

سلام به همه!

شاید بهتر باشد خودم را کمی معرفی کنم - من یک مهندس مدار معمولی هستم که به برنامه نویسی و برخی از زمینه های دیگر الکترونیک نیز علاقه مند است: DSP، FPGA، ارتباطات رادیویی و برخی دیگر. اخیراً در گیرنده های SDR غوطه ور شده ام. در ابتدا می خواستم اولین مقاله خود را (امیدوارم آخرین مقاله نباشد) به موضوع جدی تری اختصاص دهم، اما برای بسیاری این مقاله صرفاً خواندنی خواهد شد و مفید نخواهد بود. بنابراین موضوع انتخاب شده بسیار تخصصی و منحصرا کاربردی است. همچنین می خواهم توجه داشته باشم که احتمالاً تمام مقالات و سؤالات موجود در آنها بیشتر توسط یک مهندس مدار بررسی می شود و نه برنامه نویس یا شخص دیگری. خوب - بریم!

چندی پیش، به من دستور طراحی "سیستم نظارت بر منبع تغذیه یک ساختمان مسکونی" داده شد، مشتری در حال ساخت خانه های روستایی است، بنابراین ممکن است برخی از شما قبلاً دستگاه من را دیده باشید. این دستگاه جریان های مصرفی را در هر فاز و ولتاژ ورودی اندازه گیری می کرد و همزمان داده ها را از طریق کانال رادیویی به سیستم خانه هوشمند از قبل نصب شده ارسال می کرد + توانست استارت را در ورودی خانه کاهش دهد. اما گفتگوی امروز در مورد او نخواهد بود، بلکه در مورد جزء کوچک، اما بسیار مهم او - سنسور فعلی است. و همانطور که قبلاً از عنوان مقاله متوجه شدید، اینها حسگرهای جریان "غیر تماسی" از Allegro هستند - ACS758-100.
________________________________________________________________________________________________________________________

می توانید دیتاشیت را روی سنسوری که در مورد آن صحبت خواهم کرد، مشاهده کنید. همانطور که ممکن است حدس بزنید، عدد "100" در انتهای علامت گذاری حداکثر جریانی است که سنسور می تواند اندازه گیری کند. صادقانه بگویم، من در این مورد تردید دارم، به نظر می رسد که نتیجه گیری به سادگی نمی تواند برای مدت طولانی 200A مقاومت کند، اگرچه برای اندازه گیری جریان هجومی کاملاً مناسب است. در دستگاه من یک سنسور 100 آمپری بدون مشکل دائماً حداقل 35 آمپر از خود عبور می کند + پیک مصرف تا 60 آمپر وجود دارد.

شکل 1 - ظاهر سنسور ACS758-100 (50/200)

قبل از اینکه به قسمت اصلی مقاله بپردازم، پیشنهاد می کنم با دو منبع آشنا شوید. اگر دانش اولیه ای در زمینه الکترونیک دارید، آنها اضافی خواهند بود و به راحتی از این پاراگراف صرف نظر کنید. برای بقیه، من به شما توصیه می کنم برای توسعه و درک کلی به ادامه مطلب بروید:

1) جلوه هال. پدیده و اصل عمل
2) سنسورهای جریان مدرن
________________________________________________________________________________________________________________________

خوب، بیایید با مهم ترین، یعنی برچسب زدن شروع کنیم. من قطعات را در 90٪ موارد در www.digikey.com خریداری می کنم. قطعات در 5-6 روز به روسیه می رسند، سایت همه چیز دارد، همچنین یک جستجوی پارامتریک و مستندات بسیار راحت وجود دارد. بنابراین لیست کامل سنسورهای خانواده در صورت درخواست قابل مشاهده است. ACS758". سنسورهای من در همان مکان خریداری شدند - ACS758LCB-100B.

در داخل دیتاشیت، همه چیز برچسب گذاری شده است، اما من همچنان به نکته کلیدی توجه خواهم کرد. 100 ولت":

1) 100 - این حد اندازه گیری در آمپر است، یعنی سنسور من می تواند تا 100A اندازه گیری کند.
2) "V"- در اینجا باید به این نامه توجه ویژه ای داشته باشید، به جای آن ممکن است نامه ای نیز وجود داشته باشد" U". سنج با حرف بمی تواند جریان متناوب و بر این اساس جریان مستقیم را اندازه گیری کند. سنسور با حرف Uفقط می تواند جریان مستقیم را اندازه گیری کند.

همچنین در ابتدای دیتاشیت یک صفحه عالی در مورد این موضوع وجود دارد:


شکل 2 - انواع سنسورهای جریان از خانواده ACS758

همچنین یکی از مهمترین دلایل استفاده از چنین سنسوری این بود - جداسازی گالوانیکی. خروجی های برق 4 و 5 به خروجی های 1،2،3 وصل نیستند. در این سنسور ارتباط تنها به صورت میدان القایی است.

یکی دیگر از پارامترهای مهم در این جدول ظاهر شد - وابستگی ولتاژ خروجی به جریان. زیبایی این نوع سنسورها این است که خروجی ولتاژ دارند نه خروجی جریان مانند ترانسفورماتورهای جریان کلاسیک که بسیار راحت است. به عنوان مثال، خروجی سنسور می تواند مستقیماً به ورودی ADC میکروکنترلر متصل شود و قرائت شود.

برای سنسور من، این مقدار است 20 mV/A. این بدان معنی است که وقتی جریان 1 آمپر از پایانه های 4-5 سنسور می گذرد، ولتاژ در خروجی آن افزایش می یابد. 20 میلی ولت. من فکر می کنم منطق روشن است.

لحظه بعد، ولتاژ خروجی چقدر خواهد بود؟ با توجه به اینکه منبع تغذیه "انسانی" است، یعنی تک قطبی، پس هنگام اندازه گیری جریان متناوب باید یک "نقطه مرجع" وجود داشته باشد. در این سنسور این نقطه مرجع برابر با 1/2 منبع (Vcc) است. این راه حل اغلب اتفاق می افتد و راحت است. هنگامی که جریان در یک جهت جریان می یابد، خروجی خواهد بود " 1/2Vcc+I*0.02V"، در نیم چرخه دیگر، هنگامی که جریان در جهت مخالف جریان می یابد، ولتاژ خروجی باریک تر خواهد شد." 1/2 Vcc - I*0.02Vدر خروجی یک سینوسی می گیریم که در آن "صفر" است 1/2 ولت سی سی. اگر جریان مستقیم را اندازه گیری کنیم، در خروجی خواهیم داشت " 1/2Vcc+I*0.02V"، سپس هنگام پردازش داده ها در ADC، ما به سادگی جزء ثابت را کم می کنیم 1/2 وی سی سیو با داده های واقعی یعنی با بقیه کار کنید I*0.02V.

اکنون وقت آن است که آنچه را که در بالا توضیح دادم یا بهتر است بگوییم از دیتاشیت کم کردم، در عمل بررسی کنیم. برای کار با سنسور و بررسی قابلیت های آن، این "مینی پایه" را ساختم:

شکل 3 - محل تست سنسور جریان

اول از همه، من تصمیم گرفتم به سنسور برق اعمال کنم و خروجی آن را اندازه گیری کنم تا مطمئن شوم که طول می کشد 1/2 وی سی سی. نمودار اتصال را می توان در دیتاشیت پیدا کرد، اما من فقط برای آشنایی، وقت تلف نکردم و یک خازن فیلتر برای منبع تغذیه + مدار فیلتر پایین گذر RC در پین Vout مجسمه سازی کردم. در یک دستگاه واقعی، هیچ جایی بدون آنها وجود ندارد! من با این عکس به پایان رسیدم:

شکل 4 - نتیجه اندازه گیری "صفر"

وقتی برق اعمال می شود 5 ولتاز دستمال من STM32VL Discoveryمن این نتایج را دیدم - 2.38 ولت. اولین سوالی که مطرح شد این بود: چرا 2.38 و نه مواردی که در دیتاشیت 2.5 توضیح داده شده است؟"سوال تقریباً فوراً ناپدید شد - من گذرگاه برق را برای اشکال زدایی اندازه گرفتم و آنجا 4.76-4.77 ولت است. اما نکته این است که برق از USB می آید ، قبلاً 5 ولت وجود دارد ، پس از USB یک تثبیت کننده خطی LM7805 وجود دارد و این واضح است که LDO با افت 40 میلی ولت نیست. اینجا حدود 250 میلی ولت است و می افتند. خوب، خوب، این مهم نیست، نکته اصلی این است که بدانید "صفر" 2.38 ولت است. این ثابت است که من کم می کنم. هنگام پردازش داده ها از ADC.

و اکنون اولین اندازه گیری را تا کنون فقط با کمک یک اسیلوسکوپ انجام خواهیم داد. من جریان اتصال کوتاه منبع تغذیه تنظیم شده خود را اندازه خواهم گرفت، برابر است با 3.06A. این و آمپرمتر تعبیه شده نشان می دهد و فلوک هم همین نتیجه را می دهد. خوب، ما خروجی های PSU را به پایه های 4 و 5 سنسور وصل می کنیم (در عکس من یک چرخش دارم) و می بینیم که چه اتفاقی افتاده است:

شکل 5 - اندازه گیری جریان اتصال کوتاه PSU

همانطور که می بینیم، ولتاژ رای دادنافزایش یافت از 2.38 ولت تا 2.44 ولت. با نگاهی به وابستگی بالا، باید داشته باشیم 2.38V + 3.06A*0.02V/A، که مربوط به مقدار 2.44 ولت است. نتیجه مطابق با انتظارات است، در جریان 3A ما به "صفر" برابر با افزایش یافتیم 60 میلی ولت. نتیجه گیری - سنسور کار می کند، می توانید با استفاده از MC با آن کار کنید.

اکنون باید سنسور جریان را به یکی از پایه های ADC میکروکنترلر STM32F100RBT6 متصل کنید. خود سنگریزه بسیار متوسط ​​است ، فرکانس سیستم فقط 24 مگاهرتز است ، اما این روسری بسیار زنده مانده و خود را ثابت کرده است. من احتمالاً 5 سال است که مالک آن هستم، زیرا در زمانی که ST آنها را به راست و چپ می داد، به صورت رایگان به دست آمد.

ابتدا از روی عادت می خواستم بعد از سنسور یک آپ امپ با ضریب قرار دهم. "1" را بدست آورید، اما، با نگاهی به نمودار ساختاری، متوجه شدم که او قبلاً داخل است. تنها چیزی که قابل توجه است این است که در حداکثر جریان، توان خروجی برابر با منبع تغذیه سنسور Vcc خواهد بود، یعنی حدود 5 ولت، و STM می تواند از 0 تا 3.3 ولت اندازه گیری کند، بنابراین در این مورد چنین است. برای قرار دادن یک تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی لازم است، به عنوان مثال، 1: 1.5 یا 1:2. جریان من کم است، بنابراین فعلاً از این لحظه غافل خواهم شد. دستگاه تست من چیزی شبیه به این است:

شکل 6 - ما "آمپرسنج" خود را مونتاژ می کنیم

همچنین، برای تجسم نتایج، یک صفحه نمایش چینی را روی کنترلر ILI9341 پیچ کردم، زیرا در دست قرار داشت، اما دستانم به آن نمی رسید. برای نوشتن یک کتابخانه کامل برای او، چند ساعت و یک فنجان قهوه را کشتم، زیرا برگه اطلاعات به طرز شگفت آوری آموزنده بود، که برای صنایع دستی پسران جکی چان نادر است.

اکنون باید تابعی بنویسید تا Vout را با استفاده از ADC میکروکنترلر اندازه گیری کنید. من جزئیات را به شما نمی گویم ، در STM32 در حال حاضر اطلاعات و درس های زیادی وجود دارد. پس بیایید فقط نگاه کنیم:

Uint16_t get_adc_value() ( ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE)؛ while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET؛ بازگشت ADC_GetConversionValue(ADC1)؛
علاوه بر این، برای دریافت نتایج اندازه گیری ADC در کد اجرایی بدنه اصلی یا وقفه، باید موارد زیر را بنویسید:

data_adc = get_adc_value();
با اعلام قبلی متغیر data_adc:

extern uint16_t data_adc;
در نتیجه، متغیر data_adc را دریافت می کنیم که از 0 تا 4095 مقدار می گیرد، زیرا ADC در STM32 12 بیتی است. در مرحله بعد ، باید نتیجه به دست آمده "در طوطی ها" را برای خودمان به شکلی آشناتر تبدیل کنیم ، یعنی به آمپر. بنابراین لازم است ابتدا قیمت تقسیم محاسبه شود. بعد از تثبیت کننده در گذرگاه 3.3 ولت، اسیلوسکوپ من 3.17 ولت را نشان داد، من متوجه نشدم که به چه چیزی متصل است. بنابراین، با تقسیم 3.17 ولت بر 4095، مقدار 0.000774V را دریافت می کنیم - این قیمت تقسیم است. یعنی با دریافت یک نتیجه از ADC، به عنوان مثال، 2711، من به سادگی آن را در 0.000774 ولت ضرب می کنم و 2.09 ولت می کنم.

در وظیفه ما، ولتاژ فقط یک "واسطه" است، ما هنوز باید آن را به آمپر تبدیل کنیم. برای انجام این کار، باید 2.38 ولت را از نتیجه کم کنیم و باقیمانده را بر 0.02 [V/A] تقسیم کنیم. نتیجه این فرمول است:

Float I_out = ((((float)data_adc * presc)-2.38)/0.02);
خوب، وقت آن است که سیستم عامل را روی میکروکنترلر آپلود کنید و نتایج را ببینید:

شکل 7 - نتایج اندازه گیری داده های حسگر و پردازش آنها

من مصرف خود مدار را اندازه گرفتم همانطور که می بینید 230 میلی آمپر. با اندازه گیری همان مورد با یک تصادف تأیید شده، مشخص شد که مصرف 201 میلی آمپر است. خوب - دقت یک رقم اعشار در حال حاضر بسیار جالب است. من توضیح خواهم داد که چرا ... محدوده جریان اندازه گیری شده 0..100A است، یعنی دقت تا 1A 1٪ است و دقت تا دهم آمپر در حال حاضر است. 0,1%! و لطفا توجه داشته باشید، این بدون هیچ راه حل مدار است. من حتی برای آویزان کردن مجراهای منبع تغذیه فیلترینگ تنبل بودم.

اکنون باید جریان اتصال کوتاه (SC) منبع تغذیه خود را اندازه گیری کنم. دستگیره را به حداکثر می‌چرخانم و تصویر زیر را می‌گیرم:

شکل 8 - اندازه گیری جریان اتصال کوتاه

خوب، در واقع خوانش های خود منبع با آمپرمتر اصلی آن:

شکل 9 - مقدار در مقیاس BP

در واقع 3.09 آمپر را نشان داد، اما در حین عکاسی، سیم پیچ گرم شد و مقاومت آن افزایش یافت و به ترتیب جریان کاهش یافت، اما این چندان ترسناک نیست.

در پایان، من حتی نمی دانم چه بگویم. امیدوارم مقاله من به نوعی به آماتورهای رادیویی مبتدی در سفر دشوار آنها کمک کند. شاید کسی شکل من از ارائه مطالب را دوست داشته باشد، سپس می توانم به طور دوره ای در مورد کار با اجزای مختلف بنویسم. شما می توانید خواسته های خود را در مورد موضوع در نظرات بیان کنید، من سعی خواهم کرد آن را در نظر بگیرم.

برای عملکرد صحیح، قابل اعتماد و بدون مشکل محصولات مدرن قدرت و نه چندان الکترونیکی، تعیین صحیح بزرگی ها و اشکال ولتاژها و جریان های موجود در دستگاه بسیار مهم است. از انتخاب یک عنصر به ظاهر ساده مانند جریان یا ولتاژ متر، سرنوشت پروژه، موفقیت مالی یا شکست در حین کار و حتی زندگی افراد ممکن است بستگی داشته باشد. یکی از مناسب ترین برای چنین اندازه گیری ها (در آینده، ما سعی خواهیم کرد از اصطلاح "تبدیل" استفاده کنیم، زیرا LLC "Labatory DTIN" از این عقیده پشتیبانی می کند که حسگرها، طبق تعریف، دستگاه های اندازه گیری نیستند) مترهایی هستند که عملکرد آنها مبتنی است. در مورد اثر هال مزیت این مبدل ها عدم تلفات انرژی در مدار کنترل شده، ایزولاسیون گالوانیکی بین مدارهای ورودی و خروجی، سرعت، قابلیت کار در طیف وسیعی از دماها و ولتاژهای تغذیه، قابلیت ارتباط مستقیم با انواع مانیتورینگ و دستگاه های کنترل

دقت کنتورهای جریان الکتریکی بر اساس اثر هال در محدوده 0.2 تا 2 درصد است و در درجه اول به مدار مورد استفاده در طراحی دستگاه بستگی دارد. آنها به طور گسترده در تاسیسات مختلف الکتریکی، به عنوان یک قاعده، در مدارهای حفاظت، نظارت و کنترل استفاده می شوند، اما، به عنوان مثال، به دلیل تعدادی محدودیت، تقریباً هرگز برای اندازه گیری برق تجاری استفاده نمی شوند. مبدل های سیگنال الکتریکی مشابه را می توان در یک دستگاه جوش مدرن، در یک سیستم کنترل آسانسور و در یک کابین یافت؛ عملیات حمل و نقل ریلی اکنون بدون این دستگاه ها غیرقابل تصور است. دستگاه های جلوه هال می توانند هم جریان متناوب و هم جریان مستقیم را تبدیل کنند. با وجود این واقعیت که آنها اغلب "ترانسفورماتور جریان" نامیده می شوند، این واقعیت تفاوت و مزیت اصلی آنها است.

اثر هال بیش از 130 سال پیش توسط دانشمند آمریکایی ادوین هال در طی آزمایش هایی با میدان های مغناطیسی کشف شد. از آن زمان، این تأثیر بارها در ادبیات مختلف توصیف شده است. این بر اساس ظاهر یک اختلاف پتانسیل الکتریکی عرضی در یک هادی با جریان مستقیم در یک میدان مغناطیسی است.

هنگام انتخاب دستگاه برای اندازه گیری شاخص ها باید به چه نکاتی توجه کنید

1. ولتاژ تغذیه. برای ابزار اندازه‌گیری صنعتی، از دو قطبی (± 12 ولت، 15 ± ولت، 18 ولت، 24 ± ولت) و تک قطبی (+5، 12، 24 ولت) استفاده می‌شود. انتخاب آن هم به توانایی ها و نیازهای توسعه دهنده و هم به شرایط ارتباط با واحدهای کنترل و مدیریت بستگی دارد.
2. دقت تبدیل همانطور که قبلاً اشاره کردیم، مترهای موجود بر اساس اثر ادوین هال دارای دقت 0.2 تا 2 درصد هستند، در حالی که این پارامتر معمولاً با نحوه ساخت خود متر تعیین می شود - طبق طرح تقویت مستقیم یا جبران، با بازخورد 100٪. همانطور که در بیشتر موارد، یک دستگاه اندازه گیری دقیق تر از نوع جبران برای جریان الکتریکی نامی یکسان، گران تر از همتای خود است، که طبق طرح تقویت مستقیم مونتاژ شده است، به طور معمول، دارای ابعاد بزرگ و مصرف به وضوح بیشتر جریان الکتریکی از منبع برق مزایای آن نه تنها دقت بیشتر، که قبلاً ذکر کردیم، بلکه خطی بودن و ایمنی بهتر در برابر نویز خواهد بود.
3. محدوده تبدیل چنین طرح هایی می توانند سیگنال ورودی را به یک خروجی متناسب یا سیگنال دیجیتال متناظر با جریان هایی از چند صد میلی آمپر تا چند هزار آمپر تبدیل کنند. البته مکانیزم مشابه برای 10kA و بیشتر 25A گرانتر از همتای خود است
4. قاب. این واحدها می توانند دارای انواع مختلف مسکن باشند. گزینه هایی برای نصب PCB، شاسی یا ریل DIN وجود دارد.
5. دمایی که در آن این ماژول ها می توانند به درستی کار کنند. بنابراین، دمای عملیاتی کاهش یافته برای ابزارهای اندازه گیری که با جریان و ولتاژ کار می کنند معمولاً -40 درجه سانتیگراد است، اما محصولاتی وجود دارند که حتی در 50- و حتی 55- درجه سانتیگراد فعال می مانند. افزایش دمای عملیاتی برای اکثر محصولات مدرن به +85 درجه سانتیگراد می رسد، نمونه هایی وجود دارد که در +105 درجه سانتیگراد کار می کنند.

طبقه بندی مبدل ها بر اساس اصل ساخت و ساز.

1. مبدل بهره مستقیم مزایا - اندازه جمع و جور، مصرف برق کم، توانایی کار با سیگنال های الکتریکی از واحد آمپر تا ده ها کیلو آمپر، قیمت پایین. آنها برای کار با سیگنال هایی در محدوده فرکانس از جریان مستقیم تا 25 و کمتر 50 کیلوهرتز استفاده می شوند. خطای تبدیل و غیرخطی بودن در واحد درصد. این نوع محصول دارای ظرفیت اضافه بار بالا، نسبتا ارزان و فشرده است.
2. سنسورهای بازخورد 100٪، همچنین به عنوان سنسورهای "جبران شده" یا "شار صفر" شناخته می شوند. همانطور که از نام آن پیداست، ویژگی اصلی آن وجود یک مدار بسته در شار مغناطیسی است. چنین دستگاه هایی برای تبدیل سیگنال اولیه از صدها میلی آمپر به ده ها کیلو آمپر، با هر شکل و فرکانس، از جریان مستقیم تا 100-150-200 کیلوهرتز استفاده می شود. مبدل های جبرانی این سیگنال ها با بهترین دقت، خطی بودن و مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی خارجی متمایز می شوند. محدوده تبدیل این ابزارها کمتر از طرح های تقویت مستقیم است.
3. سنسور ولتاژ نوعی دستگاه جبران برای یک دستگاه مبدل سیگنال الکتریکی که با وجود سیم پیچ اولیه داخلی با تعداد زیادی چرخش مشخص می شود. اندازه گیری ولتاژ با تبدیل یک سیگنال اولیه کوچک (معمولاً در ولتاژ نامی 5 یا 10 میلی آمپر، انتخاب بستگی به توسعه دهنده دارد)، که توسط مقاومتی که به صورت سری به سیم پیچ اولیه متصل است، به سیگنال خروجی متناسب تنظیم می شود. این دستگاه ها با طیف نسبتاً گسترده ای از ولتاژهای ورودی متمایز می شوند، اما محدودیت هایی در فرکانس سیگنال ورودی دارند، زیرا سیم پیچ اولیه دارای اندوکتانس قابل توجهی است.
4. یک نوع نسبتاً جدید مبدل - یکپارچه، توسعه یک مدار تقویت مستقیم است. مزیت - ابعاد کوچک، قیمت پایین. در طول زمان از لحظه ظهور آن در سال 1879 تا به امروز، دستگاه‌هایی که بر روی اثر کشف شده توسط ادوین هال کار می‌کنند بسیار بسیار قابل توجه تغییر کرده‌اند. دقت و قابلیت اطمینان افزایش یافته است، ثبات دما به طور قابل توجهی بهبود یافته است و ابعاد و قیمت این مکانیسم ها به طور پیوسته در حال کاهش است. همه این پیشرفت ها هم در نتیجه پیشرفت های فناوری در تولید قطعات الکترونیکی و هم در نتیجه الزامات جدید برای این دسته از محصولات ممکن شده است. آنها بیشتر و بیشتر در زندگی مدرن، اشباع شده با وسایل الکترونیکی و الکتریکی استفاده می شوند.

صنعت مدرن الزامات ویژه ای را برای قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد مبدل های داده الکتریکی مورد استفاده برای کنترل عملکرد و کنترل سیستم های پیچیده مطرح می کند. این ما را مجبور می کند که به بهبود طراحی دستگاه ها ادامه دهیم، ویژگی های فنی آنها را بهبود ببخشیم، آنها را بیشتر و بیشتر قابل اعتمادتر، ساده و راحت برای استفاده کنیم.

به عنوان یک قاعده، یک توسعه‌دهنده مبتدی افراط می‌کند، دقت حداقل 0.1٪ و پاسخ فرکانسی 100 کیلوهرتز را تعیین می‌کند، و سپس برای مدت طولانی متعجب می‌شود که راه‌حل پیشنهادی به او هزینه‌ای در مقایسه با قیمت آن دارد. نیمی یا حتی کل رشد او. در اکثر کاربردهای مدرن، با توجه به بهبود پارامترهای نیمه هادی های قدرت، دقت 1-2٪ بیش از حد کافی است و قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد به یک عامل کلیدی در انتخاب مبدل تبدیل می شود، اما این مسائل ارتباط مستقیمی با مدار و سزاوار توجه جداگانه است.

اثر هال در سال 1879 توسط دانشمند آمریکایی ادوین هربرت هال کشف شد. ماهیت آن به شرح زیر است (شکل را ببینید). اگر جریانی از صفحه رسانا عبور داده شود و میدان مغناطیسی عمود بر صفحه باشد، ولتاژی در جهت عرضی جریان (و جهت میدان مغناطیسی) روی صفحه ظاهر می شود: Uh = (RhHlsinw) )/d، که در آن Rh ضریب هال است، بسته به ماده هادی. H قدرت میدان مغناطیسی است. I - جریان در هادی؛ w زاویه بین جهت جریان و بردار القای میدان مغناطیسی است (اگر w = 90 درجه، sinw = 1). d ضخامت ماده است.

با توجه به اینکه اثر خروجی توسط حاصل ضرب دو کمیت (H و I) تعیین می شود، سنسورهای هال کاربرد بسیار گسترده ای دارند. جدول ضرایب هال را برای فلزات و آلیاژهای مختلف نشان می دهد. نامگذاری: T - دما؛ ب - شار مغناطیسی؛ Rh - ضریب هال در واحد m3 / C.

کلیدهای غیر تماسی بر اساس اثر هال از ابتدای دهه 70 به طور گسترده در خارج از کشور مورد استفاده قرار گرفتند. از مزایای این کلید می توان به قابلیت اطمینان و دوام بالا، ابعاد کوچک و معایب آن مصرف مداوم انرژی و هزینه نسبتا بالا اشاره کرد.

اصل عملکرد ژنراتور هال

سنسور هال دارای طراحی شیار است. در یک طرف شکاف یک نیمه رسانا وجود دارد که با روشن شدن احتراق جریان از طریق آن می گذرد و در طرف دیگر یک آهنربای دائمی وجود دارد.

در میدان مغناطیسی، الکترون های متحرک تحت تأثیر یک نیرو قرار می گیرند. بردار نیرو بر جهت هر دو مولفه مغناطیسی و الکتریکی میدان عمود است.

اگر یک صفحه نیمه هادی (مثلاً از آرسنید ایندیم یا آنتی مونید ایندیم) وارد میدان مغناطیسی با القای B شود که از طریق آن جریان الکتریکی جریان می یابد، اختلاف پتانسیل در طرفین عمود بر جهت جریان ایجاد می شود. ولتاژ هال (Hall EMF) متناسب با جریان و القای مغناطیسی است.

بین صفحه و آهنربا یک شکاف وجود دارد. یک صفحه استیل در شکاف سنسور وجود دارد. هنگامی که هیچ صفحه ای در شکاف وجود ندارد، میدان مغناطیسی بر روی صفحه نیمه هادی اثر می کند و اختلاف پتانسیل از آن حذف می شود. اگر صفحه ای در شکاف وجود داشته باشد، خطوط مغناطیسی نیرو از طریق صفحه بسته می شوند و روی صفحه عمل نمی کنند، در این حالت هیچ اختلاف پتانسیل روی صفحه وجود ندارد.

ریز مدار یکپارچه، اختلاف پتانسیل ایجاد شده روی صفحه را به پالس های ولتاژ منفی با مقدار معینی در خروجی سنسور تبدیل می کند. وقتی صفحه نمایش در شکاف سنسور باشد، در خروجی آن ولتاژ وجود خواهد داشت، اما اگر صفحه نمایش در شکاف سنسور وجود نداشته باشد، ولتاژ در خروجی سنسور نزدیک به صفر است.

در مورد اثر هال مطالب زیادی نوشته شده است، این اثر به شدت در فناوری استفاده می شود، اما دانشمندان به مطالعه آن ادامه می دهند. در سال 1980، کلاوس فون کلیتسانگ، فیزیکدان آلمانی، عملکرد اثر هال را در دمای بسیار پایین مطالعه کرد. در یک صفحه نیمه هادی نازک، فون کلیتسانگ به آرامی قدرت میدان مغناطیسی را تغییر داد و دریافت که مقاومت هال به آرامی تغییر نمی کند، بلکه می پرد. بزرگی پرش به خواص ماده بستگی نداشت، بلکه ترکیبی از ثابت های فیزیکی اساسی تقسیم بر یک عدد ثابت بود. معلوم شد که قوانین مکانیک کوانتومی به نحوی ماهیت اثر هال را تغییر داده است. این پدیده را اثر هال کوانتومی انتگرال می نامند. برای این کشف، فون کلیتسانگ در سال 1985 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

دو سال پس از کشف فون کلیتزونگ در آزمایشگاه تلفن بل (همان آزمایشگاهی که ترانزیستور در آن کشف شد)، استورمر و تسویی در حال مطالعه اثر کوانتومی هال با استفاده از یک نمونه فوق‌العاده خالص و بزرگ از آرسنید گالیوم ساخته شده در همان آزمایشگاه بودند. این نمونه دارای درجه خلوص بالایی بود که الکترون ها بدون برخورد با موانع از سر به انتها عبور می کردند. آزمایش استورمر و تسوئی در دمای بسیار پایین‌تر (تقریباً صفر مطلق) و با میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر از آزمایش فون کلیتزونگ (یک میلیون بار بیشتر از ) انجام شد.

با کمال تعجب، استورمر و تسوئی در مقاومت هال سه برابر مقاومت فون کلیتسانگ پرش پیدا کردند. سپس جهش های بزرگتری پیدا کردند. همان ترکیب ثابت های فیزیکی به دست آمد، اما نه بر یک عدد صحیح، بلکه بر یک عدد کسری تقسیم می شود. فیزیکدانان بار یک الکترون را ثابت می دانند که بر قطعات تقسیم نمی شود. و در این آزمایش، همانطور که بود، ذرات با بار کسری شرکت کردند. این اثر اثر هال کوانتومی کسری نام داشت.

یک سال پس از این کشف، کارمند آزمایشگاه لافلین توضیحی نظری در مورد این اثر ارائه کرد. وی اظهار داشت که ترکیب دمای بسیار پایین و میدان مغناطیسی قدرتمند باعث می شود که الکترون ها یک سیال کوانتومی تراکم ناپذیر را تشکیل دهند. اما شکل با استفاده از گرافیک کامپیوتری، جریان الکترون ها (توپ ها) را نشان می دهد که هواپیما را سوراخ می کنند. بی نظمی های صفحه نشان دهنده توزیع بار یکی از الکترون ها در حضور میدان مغناطیسی و بار الکترون های دیگر است. اگر یک الکترون به مایع کوانتومی اضافه شود، تعداد معینی از شبه ذرات با بار کسری تشکیل می شود (در شکل، این به عنوان مجموعه ای از فلش ها برای هر الکترون نشان داده شده است).
در سال 1998، هورست استورمر، دانیل تسوئی و رابرت لافلین جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. در حال حاضر H. Stormer استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا، D. Tsui استاد دانشگاه پرینستون و R. Laughlin استاد دانشگاه استنفورد هستند.

آلیاژ فلزی)
آلومینیوم
مورگانتس - آنتیموان
تلوریوم کروم

در سال 1879، فیزیکدان آمریکایی، ادوین هربرت هال، در حالی که بر روی پایان نامه دکترای خود در دانشگاه جان هاپکینز کار می کرد، آزمایشی را با یک صفحه طلا انجام داد. او جریانی را از صفحه عبور داد و خود صفحه را روی شیشه قرار داد و علاوه بر این صفحه تحت تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر صفحه خود و بر این اساس عمود بر جریان قرار گرفت.

انصافاً باید توجه داشت که هال در آن لحظه در حال حل این سؤال بود که آیا مقاومت سیم پیچی که جریان از آن عبور می کند به حضور در کنار آن بستگی دارد و به عنوان بخشی از این کار هزاران آزمایش توسط دانشمندان در نتیجه آزمایش با یک صفحه طلا، ظاهر یک اختلاف پتانسیل مشخص در لبه های جانبی صفحه کشف شد.

این تنش نامیده می شود ولتاژ سالن. این فرآیند را می توان تقریباً به صورت زیر توصیف کرد: نیروی لورنتس منجر به تجمع یک بار منفی در نزدیکی یک لبه صفحه و یک بار مثبت در نزدیکی لبه مخالف می شود. نسبت ولتاژ هال حاصل به مقدار جریان طولی مشخصه ماده ای است که یک عنصر هال خاص از آن ساخته شده است و این مقدار "مقاومت هال" نامیده می شود.

این به عنوان یک روش نسبتا قابل اعتماد برای تعیین نوع حامل های بار (سوراخ یا الکترون) در یک نیمه هادی یا فلز عمل می کند.

بر اساس اثر هال، سنسورهای هال در حال حاضر ساخته می شوند، دستگاه هایی برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی و تعیین قدرت جریان در هادی. برخلاف ترانسفورماتورهای جریان، سنسورهای هال امکان اندازه گیری جریان مستقیم را نیز فراهم می کنند. بنابراین، دامنه سنسور هال به طور کلی بسیار گسترده است.

از آنجایی که ولتاژ هال کم است، کاملاً منطقی است که ولتاژ هال به پایانه ها متصل شود. برای اتصال به گره های دیجیتال، مدار با یک ماشه اشمیت تکمیل می شود و یک دستگاه آستانه به دست می آید که در سطح معینی از قدرت میدان مغناطیسی کار می کند. چنین مدارهایی را کلیدهای هال می نامند.

اغلب سنسور هال به همراه یک آهنربای دائمی استفاده می شود و این عملیات زمانی اتفاق می افتد که آهنربای دائمی در فاصله مشخص و از پیش تعیین شده به سنسور نزدیک شود.

سنسورهای هال در موتورهای الکتریکی بدون جاروبک یا سوپاپ (سروموتور) بسیار گسترده هستند، جایی که سنسورها مستقیماً روی استاتور موتور نصب می شوند و نقش حسگر موقعیت روتور (RPS) را بازی می کنند که بازخوردی را در مورد موقعیت روتور ارائه می دهد. تقریباً مانند یک کلکتور در یک موتور کلکتور DC.

با تثبیت آهنربای دائمی روی شفت، یک دور شمارشگر ساده بدست می آوریم و گاهی اوقات اثر محافظ خود قسمت فرومغناطیسی بر روی شار مغناطیسی کافی است. شار مغناطیسی که معمولا سنسورهای هال از آن راه اندازی می شوند 100-200 گاوس است.

سنسورهای سه ترمینال هال که توسط صنعت الکترونیک مدرن تولید می شوند، دارای یک ترانزیستور npn جمع کننده باز در محفظه خود هستند. اغلب، جریان عبوری از ترانزیستور چنین سنسوری نباید از 20 میلی آمپر تجاوز کند، بنابراین باید یک تقویت کننده جریان برای اتصال یک بار قدرتمند نصب شود.

میدان مغناطیسی یک هادی حامل جریان معمولاً به اندازه کافی قوی نیست که حسگر هال را راه اندازی کند، زیرا حساسیت چنین حسگرهایی 1-5 mV / Gs است و بنابراین، برای اندازه گیری جریان های کم، یک هادی حامل جریان به اطراف پیچیده می شود. یک هسته حلقوی با یک شکاف و یک سنسور هال قبلاً در شکاف نصب شده است. بنابراین با شکاف 1.5 میلی متری، القای مغناطیسی در حال حاضر 6 Gs / A خواهد بود.