Датчик тока: принцип действия и сфера применения. Датчик тока схема

Датчик тока и напряжения на эффеке холла

Содержание:

Классификация датчиков
Современные датчики тока
Преимущества датчиков тока в современных схемах

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Классификация датчиков

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

Датчики постоянного тока
Датчики амплитуды переменного тока
Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными – непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Современные датчики тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Основные виды датчиков тока:

Датчики прямого усиления (O/L). Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta). Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L). Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip, происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С). Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME. Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами. Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Датчики тока (тип IT). Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

electric-220.ru

Датчики тока Резисторные датчики тока в схемах на МК

в практике измерения тока существует стандартный приём — включить последовательно в испытываемую цепь низкоомный резистор и замерить на нём падение напряжения. Если разделить напряжение (б^изм) сопротивление (/?изм)’ ^^ по закону Ома получится искомый ток (/изм)- Резистор должен быть низкоомным и высокоточным, чтобы не вносить дополнительные потери мощности в нагрузке и не ухудшать инструментальную погрешность измерений.

Математические расчёты формулы тока можно поручить МК. В его программе будет фигурировать напряжение, измеренное на образцовом резисторе через встроенный АЦП. Сопротивление резистора априори известно, поэтому остаётся лишь правильно выбрать схему сопряжения его с МК (Рис. 3.71, а…с).

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК (начало):

а) сигнал отдатчика /?изм масштабируется усилителем DAL1 v\ буферизируется повторителем DA1.2. Резистор /?2 регулирует коэффициент усиления ОУ, а значит и чувствительность датчика. Повторитель сигнала DA 1.2 во многих случаях может отсутствовать;

б) делитель на резисторах /?/, R2 ослабляет сигнал с датчика /?изм примерно в 10 раз. Конденсатор С J снижает ВЧ-помехи.,Сопротивление резистора R2 выбирается по даташиту МК (в данном случае для AVR-контроллеров) сточки зрения оптимального режима работы АЦП. Резисторы RJ, /?изм ^^ сумме должны иметь сопротивление на порядок больше, чем резистор R2;

в) резистором R3 регулируется чувствительность датчика тока, выполненного на мощном проволочном резисторе /?изм- Цепочка R4, С J снижает помехи и защищает МК от всплесков напряжения;

г) пример симметричного подключения измерительной цепи к МК при помощи одинаковых резисторов /?/, R2. Диоды VDJ, VD2 ограничивают входной сигнал по амплитуде. Измерение разности напряжений проводится двухканальным АЦП МК в дифференциальном режиме;

Рис, 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение):

д) транзистор VT1 открывается при определённом токе, протекающем через резистор /?изм’ после чего на входе М К формируется ВЫСОКИЙ уровень. Если напряжение в измеряемой цепи не превышает +5 В, то ограничительный резистор R2 можно заменить перемычкой;

е) датчик превышения тока через резистор /?изм с индикатором на светодиоде НИ\

ж) МК проверяет, работает ли в данный момент двигатель Л//, по наличию напряжения на низкоомном резисторе RL Схема имеет нижний порог, определяемый напряжением (/^э УТ1\

з) через двигатель Ml протекают импульсы тока, которые периодически открывают транзистор VT1. Благодаря большой ёмкости конденсатора С2, на входе МК поддерживается НИЗКИЙ уровень, который переходит в ВЫСОКИЙ уровень при остановке двигателя;

и) двухполярный датчик тока. Транзистор VTL1 работает как диод, VTL2 — как ключ. Оба транзистора входят в одну сборку и имеют идентичные параметры, отсюда высокая температурная стабильность. Необязательные диоды VD1, КШ защищают транзисторы от перегрузок;

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение): к) симметричный съём информации с датчика тока /?изм- Напряжение может подаваться с одноимённого вывода МК. Резистор /?J служит для начальной калибровки показаний;

л) напряжение на входе МК пропорционально току в измеряемой цепи с коэффициентом «1 В/1 А». Напряжение питания на выводе 8 микросхемы D/1/должно быть+5…+30 В;

м) DAI — это усилитель слабого сигнала с регулировкой чувствительности резистором R4. Резисторы /?/, /?2 должны быть одинаковыми по сопротивлению;

н) резистором R2 устанавливается порог срабатывания датчика тока. Стабилитрон VDI защищает компаратор DA1 от всплесков напряжения;

о) сигнальная и защитная «земли» электрически соединяются длинными проводами, поэтому во входные цепи усилителя ?14 / вводятся фильтрующие конденсаторы C/…CJ. К сигнальной «земле» подключается МК, к защитной — резистор /?изм’ ®

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков токак МК. {окончание): п) микросхема DA J (фирма Zetex Semiconductors) позволяет измерять абсолютную величину тока (вывод ЮиТ) и его направление (вывод FLAG). Напряжение в измеряемой цепи на любом из выводов резистора /?изм относительно общего провода МК не должно превышать +20 В;

р) измерение тока при помощи специализированной микросхемы DA! фирмы Texas Instruments. Напряжение в измеряемой цепи относительно общего провода МК не должно превышать +36 В. Сопротивление резистора /?изм выбирается так, чтобы на нём при полной токовой нагрузке падало напряжение 50… 100 мВ. Замена микросхемы DA1 — INA193, INAt95, при этом надо подкорректировать коэффициент преобразования в управляющей программе МК;

с) измерение тока при помощи инструментального усилителя DA1 фирмы Analog Devices. Конденсаторы С1…СЗ устраняют высокочастотные помехи и совместно с резисторами R1, R2 симметрируют схему.

nauchebe.net

принцип действия и сфера применения

Многие устройства, работающие в электрических цепях, требуют проведений точных измерений в режиме реального времени. От точности этих замеров зависит многое: качество процессов регулирования в схемах управления, надежная работа защиты, калькуляция при подсчете потребляемой мощности в электроустановках и т.д. Обычно для таких измерений используют специальные приборы, которые входят в состав основной схемы. К примеру, датчик тока широко используется при работе многих устройств. Он может быть реализован на самых разных элементах, в зависимости от того или иного схемного решения. Остается неизменным только сам принцип его работы – в соответствии с заложенным в него коэффициентом он преобразует сигнал с измерительного трансформатора или иного устройства в сигнал напряжения, который согласован с остальной частью схемы.

Различают датчик тока, который разработан для работы в цепях переменного и, соответственно, постоянного напряжения. В качестве примера можно рассмотреть работу каждого из них. Для переменного напряжения в качестве измерительного элемента обычно используется трансформатор тока. Это бесконтактный прибор, который следит за состоянием контролируемой силовой цепи. Сигнал с него и поступает в датчик тока, цель которого - масштабировать полученный сигнал со схемой управления.

Несколько иначе обстоит дело, если мы имеем дело с постоянным или медленно меняющимся во времени параметром. Вышеописанный трансформатор в такой схеме работать не будет, так как на его выходе мы сможем получить только динамику измеряемого параметра. Обычно в таких схемах используется специальный шунт, с повышенным по отношению к остальной части электрической цепи сопротивлением. Он монтируется непосредственно в линию. В этом случае снимается падение напряжение на этом участке, которое и будет отдаваться в датчик постоянного тока. Так как входные цепи в такой схеме находятся под высоким потенциалом, то такой датчик выполняет сразу несколько функций. Он гальванически разделяет силовую и измерительные цепи и одновременно масштабирует полученный сигнал.

датчик тока холла Типовая схема, по которой работает такой датчик тока, состоит из генератора импульсов высокой частоты, разделительного ключа и трансформатора. Поступающий измерительный сигнал преобразуется с помощью генератора и разделительного ключа, собранного обычно на полевом транзисторе. Переменное напряжение, преобразованное таким образом, передается в разделительный трансформатор. После этого оно фильтруется и усиливается в зависимости от коэффициента, заложенного при проектировании.

Несколько иной принцип работы заложен в так называемый датчик тока Холла. Он измеряет напряженность магнитного поля, которое возникает по причине протекания тока в проводнике, и преобразует его в выходной сигнал по напряжению. Особенностью его работы является то, что он универсален и способен нормально функционировать в любых цепях. Такие датчики компактны и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками.

fb.ru

Датчик тока (Troyka-модуль) [Амперка / Вики]

Используйте датчик тока (Troyka-модуль) для контроля потребления тока, фиксируйте блокировку моторов или аварийное обесточивание системы.

Работа с высоким напряжением опасна для здоровья!

Касание винтов контактных колодок и их выводов может привести к поражению электрическим током. Не прикасайтесь к плате, если она подключена к бытовой сети. Для готового устройства используйте изолированный корпус.

Если вы не знаете как подключить датчик к электроприбору, работающему от общей сети 220 В или у вас есть сомнения — остановитесь: вы можете устроить пожар или убить себя.

Вы должны чётко понимать принцип работы устройства и опасности работы с высоким напряжением.

Видеообзор

Подключение и настройка

Датчик общается с управляющей электроникой по трём проводам. На выходе сенсора — аналоговый сигнал. При подключении к Arduino или Iskra JS удобно использовать Troyka Shield, а для тех кто хочет избавится от проводов подойдёт Troyka Slot Shield. Для примера подключим шлейф от модуля к группе контактов Troyka Shield, относящихся к аналоговому пину A0. В своём проекте вы можете использовать любые аналоговые пины.

Примеры работы

Для облегчения работы с датчиком мы написали библиотеку TroykaCurrent, которая переводит значения аналогового выхода датчика в миллиамперы. Скачайте и установите её для повторения описанных ниже экспериментов.

Измерение постоянного тока

Для измерения постоянного тока подключим сенсор в разрыв цепи между светодиодной лентой и питанием. Выведем в Serial-порт текущее значение постоянного тока в миллиамперах.

CurrentDC.ino // библиотека для работы с датчиком тока (Troyka-модуль) #include <TroykaCurrent.h> // создаём объект для работы с датчиком тока // и передаём ему номер пина выходного сигнала ACS712 sensorCurrent(A0); void setup() { // открываем последовательный порт Serial.begin(9600); } void loop() { // вывод показателей сенсора для постоянного тока Serial.print("Current is "); Serial.print(sensorCurrent.readCurrentDC()); Serial.println(" mA"); delay(100); }

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока подключим датчик в разрыв цепи между источником переменного напряжения и нагрузкой. Выведем в Serial-порт текущее значение переменного тока в миллиамперах.

CurrentAC.ino // библиотека для работы с датчиком тока (Troyka-модуль) #include <TroykaCurrent.h> // создаём объект для работы с датчиком тока // и передаём ему номер пина выходного сигнала ACS712 sensorCurrent(A0); void setup() { // открываем последовательный порт Serial.begin(9600); } void loop() { // вывод показателей сенсора для постоянного тока Serial.print("Current is "); Serial.print(sensorCurrent.readCurrentAC()); Serial.println(" mA"); delay(100); }

Элементы платы

Датчик ACS712ELCTR-05B

Датчик тока ACS712ELCTR-05B основан на эффекте Холла, суть которого в следующем: если проводник с током помещён в магнитное поле, на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно к направлению тока и направлению магнитного поля. Микросхема конструктивно состоит из датчика Холла и медного проводника. Протекающий через медный проводник ток создает магнитное поле, которое воспринимается элементом Холла. Магнитное поле линейно зависит от силы тока.

Уровень выходного напряжения сенсора пропорционально зависит от измеряемого тока. Диапазон измерения от −5 А до 5 A. Чувствительность — 185 мВ/А. При отсутствии тока выходное напряжение будет равняться половине напряжения питания.

Нагрузка

Датчик тока подключается к нагрузке в разрыв цепи через колодки под винт. Для измерения постоянного тока подключайте сенсор, учитывая направления тока, иначе получите значения с обратным знаком. Для переменного тока — полярность значения не имеет.

Контакты подключения трёхпроводного шлейфа

Модуль подключается к управляющей электронике по трём проводам. Назначение контактов трёхпроводного шлейфа:

Питание (V) — красный провод. Исходя из документации питание датчика 5 вольт. В результате теста модуль работает и от 3,3 вольт.
Земля (G) — чёрный провод. Должен быть соединён с землёй микроконтроллера;
Сигнальный (S) — жёлтый провод. Подключается к аналоговому входу микроконтроллера. Через него управляющая плата считывает сигнал с датчика.

Принципиальная и монтажная схемы

Характеристики

Напряжение питания: 5 В
Потребляемый ток: 10 мА
Измеряемый ток: переменный и постоянный
Диапазон измеряемого тока: −5…+5 A
Чувствительность: 185 мВ/А
Гальваническая развязка, пробивное напряжение: 2,1 кВ
Рабочий диапазон температур: −40…+85 °C
Габариты: 25×25 мм

Ресурсы

wiki.amperka.ru

10. Современные промышленные датчики тока.

Современная практика и научные исследования требуют измерений больших токов — до 12 МА. Токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи — до 150200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер [9].

В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.

Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки [9].

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются четыре: резистивный, магнитооптический, на основе эффекта Холла и трансформатора тока; последний может быть использован только в цепях переменного тока. Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Рассмотрим конструкцию каждого датчика [9].

11. Резистивные датчики.

Резистивные датчики – самые дешёвые, линейные и точные. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термо ЭДС при больших токах, снижающие точность измерения.

Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на токочувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор, обладающий достаточным КОСС, особенно вблизи питающих напряжений [9].

12. Датчики Холла.

Первые промышленные датчики на основе эффекта, открытого в 1897 г.

американским физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall, 1855–1938), были разработаны в конце 1960х. Однако широкое использование интегральных и гибридных датчиков тока на основе эффекта Холла долгое время сдерживалось их высокой стоимостью. К началу 1990_х были разработаны новые технологии, позволившие значительно снизить себестоимость производства самих ячеек Холла и интегральных схем на их основе. Это

обусловило бурный рост предложения промышленных датчиков тока и других магниточувствительных полупроводниковых приборов [9].

Рис. 12. Возникновение ЭДС Холла (VH)

Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещённого перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 12). Для меди напряжение Холла составляет 24 мкВ/кГс, для полупроводника – свыше ±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания [9].

На рис. 13 и 14 схематически представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого

типов соответственно, где I primary – ток в первичной цепи, I secondary – ток во вторичной цепи, Vout – выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи. Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного

смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональная числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости

они приближаются к трансформаторам тока [9].

Рис. 13. Холловский датчик тока разомкнутого типа

Рис. 14. Холловский датчик тока замкнутого типа

studfiles.net

Интегральный датчик тока CSA-1V

MELEXIS // Датчики Холла / Микросхемы для радиосвязи / Микросхемы для использования в шинах передачи данных / Датчики давления / Драйверы двигателей и интелектуальные схемы управления / Микроконтроллеры / Инфракрасные и оптические датчики / Интерфейсные микросхемы / Микросхемы радиочастотной идентификации RFID / Датчики инерции и гироскопы / Драйверы светодиодов (LED Drivers)

При проектировании устройств автоматики кроме задачи создания каскада управления объектом встает не менее сложная и важная задача – получение достоверной и своевременной информации о состоянии и реакции объекта на управляющие воздействия. В случае привода это положение ротора и токи в фазах двигателя, в случае нагревателя это температура и ток нагревательного элемента и так далее.

Интегральный датчик тока CSA-1V компании «Sentron» представляет собой одноосевой линейный датчик Холла, размещён в корпусе SO8 и предназначен для измерения постоянного и переменного (до 100 кГц) тока. Датчик выполнен по КМОП-технологии с дополнительным ферромагнитным слоем в качестве концентратора магнитного потока для повышения чувствительности. Преимуществом данной конструкции является то, что она позволяет обеспечить детектирование магнитного потока без громоздких ферритовых колец и дополнительных катушек, за счет увеличения полезного сигнала при сохранении величины шума. Данная особенность позволяет значительно уменьшить габариты устройства, исключить навесной монтаж и удешевить конструкцию при увеличении надежности.

Датчик предназначен для установки как непосредственно над печатной дорожкой, ток которой необходимо измерять, так и в измерительную арматуру, предназначенную для измерения больших токов или специального применения. Максимальный ток, регистрируемый схемой, установленной непосредственно над печатным проводником, составляет ±50А и может быть изменен путем изменения геометрии проводника печатной платы в месте установки.

Одним из способов расширения возможностей датчика без изготовления специальных конструкций, является использование программатора PTK02A, который позволяет программно изменять чувствительность, дрейф нуля и коэффициент температурной компенсации.

Рис.1. Направление измеряемого тока и способ монтажа CSA-1V над печатным проводником

Поскольку расположение ферромагнитных экранов задано конструктивно, то направление измеряемого тока должно быть параллельно линии выводов, как показано на рис 1.

Внутренняя структура датчика достаточно сложна. Кроме двух восьмиугольных экранов и датчика Холла между ними датчик содержит достаточно насыщенную схему обработки сигнала. Блок схема датчика приведена на рис. 2.

Рис2. Блок схема CSA-1V

Выводы 4,7,6 – выводы для программирования, питание, Clock и данные соответственно 1,8,5.

МС позволяет снимать выходной сигнал как в однополярном, так и в двух полярном режиме. При Прямом подключении возможны две схемы. Питание схемы +5В, однополярное.

Общие технические характеристики приведены в табл. 1.

Табл.1 Общие технические характеристики CSA-1V

Напряжение питания

4.5…5.5

Ток потребления

мА

11…16

Выходной ток

мА

-1…+1

Емкость нагрузки

пФ

1000

Время реакции

мкс

Сдвиг нуля

мВ

± 15

Температурный дрейф нуля

мВ/гр.С

0.2

Вых напряжение при однополярном включении

Uпит/2

Магниточувствительность

В/Гаусс

Предел чувствительности

Гаусс

-75…+75

Нелинейность

% от max

0.5

Датчик работоспособен в интервале частот до 100кГц и имеет время ответа 6мкс.

Рис. 3 Зависимость выходного сигнала датчика от входного сигнала

Из рис. 3 видно, что 6мкс ответа датчика складываются из 3мкс задержки включения из-за обработки сигнала датчиком Холла и из 3-х мкс времени нарастания переднего фронта выходного усилителя.

Измерение тока в изолированном проводнике круглого малого сечения

Для того, что бы на выходе микросхемы получит адекватное отражение величины тока, проходящего через проводник, необходимо, что бы направление тока было правильным образом сориентировано относительно корпуса микросхемы.

В случае, если измеряемый ток протекает по печатному проводнику, проблем с согласованием направления не возникает. В том случае, если измеряемый ток протекает по изолированному проводнику необходимо придерживаться нескольких правил. Первое – направление тока должно быть параллельно линии, соединяющей выводы 1-4 (и 5-8) микросхемы. Второе – расстояние от проводника до верхней плоскости микросхемы должно быть постоянным на расстоянии по крайней мере 3-х – 4-х длин корпуса микросхемы в каждую сторону. Расстояние от центра проводника до поверхности («d» на рис. 4 ) должно быть известно. И считается, что оно много больше, чем диаметр металлического сердечника провода.

Рис. 4. Расположение проводника при измерении тока в изолированном проводе

Измерение тока в печатном проводнике до 10А

В случае, если необходимо измерить ток, проходящий по шине, которая имеет некруглое сечение, микросхему располагают над шиной таким образом, что шина находится со стороны выводов микросхемы и проходит между ними в направлении линии выводов1-4.

В этом случае зависимость выходного напряжения микросхемы от тока выглядит следующим образом

Конструкция в этом случае выглядит как на рис. 1.

Измерение тока в печатном проводнике от 10 до 20А

При необходимости повысить чувствительность схемы при измерении тока в печатном проводнике и разгрузить сам печатный проводник, можно применить конструкцию, показанную на рис. 5. Ток пропускается не только по шине под микросхемой, но и по шунту, расположенному над ней.

Рис. 5. Возможная конструкция измерительного элемента, применяемая для увеличения чувствительности

Прохождение тока организуется по направлению показанному на рис. 6.

Рис. 6. Путь тока, который необходимо организовать для увеличения чувствительности схемы

Измерение тока в плоском проводнике от 20 до 100А

Нижеприведенная зависимость выполняется для шины, ширина которой не превышает ширину микросхемы и расположенной на расстоянии d от ее верхней плоскости. Направление течения тока – вдоль линии 1-4 выводов. Конструкция представлена на рис. 7.

Рис. 7. Конструкция для измерения тока до 100А, протекающего по узкой шине

Измерение больших токов протекающих в шинах сложной формы

Для случаев измерения токов, протекающих по шинам со сложной формой, вывод точной аналитической зависимости выходного напряжения от протекающего тока затруднителен. В этом случае можно провести калибровку конкретной конструкции с использованием дополнительных измерительных приборов.

Возможные конструкции, применяемые для измерения больших токов, приведены ниже.

Скачать документацию Сайт компании

www.yeint.ru

Усилители датчиков тока для разных приложений

По мере возрастания автоматических систем управления с обратной связью всё большее применение в них находят датчики, способные с высокой точностью измерять токи. Примерами таких устройств могут служить регуляторы скорости вращения двигателей, яркости светодиодов и т.д. Для измерения тока последовательно с нагрузкой включается резистор, а специальный усилитель повышает падающее на нём напряжение и изолирует его от управляющей цепи. Новые усилители, специально приспособленные для решения этой задачи, находят широкое применение в различных областях — в устройствах связи, компьютерах, автомобилях и т.д.

Существуют два метода включения датчиков тока — в цепь земли и в высокопотенциальную цепь. В обоих случаях резистор с небольшим сопротивлением включается в токопроводящую цепь, а падение напряжения на нём, пропорциональное протекающему току, служит входным сигналом для усилителя. В первом случае датчик включается между нагрузкой и землёй, при высокопотенциальном методе — между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки.

Основным преимуществом низкопотенциального метода является то, что синфазный сигнал на входе усилителя мал и, следовательно, его напряжение питания тоже может быть небольшим. Однако при этом возникает несколько проблем, нивелирующих все преимущества этого метода. Первая состоит в том, что необходимо иметь только один провод заземления, чтобы через датчик проходил весь ток нагрузки. Если земляным проводом служит металлический корпус устройства, вставить в него токочувствительный резистор довольно сложно. Кроме того, земляной провод не является идеальным проводником, в различных его точках может быть разное напряжение, так что для точного измерения тока требуется дифференциальный усилитель. Однако, вероятно, самой серьёзной проблемой является то, что включение резистивного датчика тока в земляной провод означает наличие разницы потенциалов между землёй самого устройства и общим земляным проводником. Это может внести ошибки в работу системы и затрудняет связь между узлом, в котором измеряется ток, и остальной частью системы. Поскольку погрешность измерений определяется в данном случае напряжением на датчике, то это напряжение разработчик вынужден рассматривать как помехи (или шум) по цепи земли и стремиться его уменьшить. В результате типичное максимальное напряжение датчика VSense в 100 мВ превращается в 100 мВ шумов в измерительных цепях. Проблему с внесением шумов можно полностью исключить включением датчика в высокопотенциальную цепь — между «плюсом» источника питания и нагрузкой.

Этот подход, как уже говорилось ранее, называется высокопотенциальным методом. Он позволяет избежать проблем, связанных с низкопотенциальным включением, однако и у него есть свои недостатки. В этом случае также используется низкоомное сопротивление, разность потенциалов на выводах которого пропорциональна протекающему току. Однако при этом на обоих его выводах присутствует достаточно большой потенциал, равный напряжению источника питания и являющийся для усилителя датчика синфазным входным сигналом. Т.е усилитель должен правильно работать в условиях малого дифференциального и большого синфазного сигналов.

Для низковольтных систем принято использовать обычные инструментальные усилители, способные работать с сигналами «от питания до питания». Выход таких усилителей даст нужный сигнал, привязанный к земле, без существенной ошибки. Однако при больших напряжениях в измеряемой цепи, скорее всего, придётся преобразовывать сигналы с датчика в приемлемый для усилителя диапазон или организовывать «плавающее» питание для усилителя. Такие дополнительные схемы увеличивают стоимость и место, занимаемое датчиком на плате, но при этом правильная работа обеспечивается только тогда, когда синфазное напряжение остаётся в довольно узком, заранее известном, диапазоне. Однако в большинстве случаев полезно было бы обеспечить нечувствительность датчика к изменению синфазного напряжения. Например, если схема датчика тока останется работоспособной при падении выходного напряжения источника питания, это поможет определить, где возникла проблема — в нагрузке или в самом источнике питания. Возрастание тока в нагрузке указывает на возможную неисправность в ней, а падение напряжения на выходе источника питания при неизменном или падающем токе в нагрузке — на неисправность самого источника питания.

Множество устройств, ток в которых надо измерять, являются индуктивностями (например, двигатели или соленоиды), и изменение тока через них сопровождается появлением ЭДС самоиндукции, что вызывает существенные изменения синфазного напряжения на датчике тока. Очевидно, что для таких измерений следует использовать и соответствующий усилитель 1.

Простое решение

Усилители сигнала датчиков тока специально сконструированы так, чтобы облегчить решение этой проблемы. Они способны выделять малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного, усиливать его и преобразовывать в сигнал относительно земляного провода. На рисунке 1 показана типичная структура такого усилителя. В данном случае усилитель управляется напряжением на резисторе RIn, которое равно напряжению на датчике тока RSense. При этом ток через резистор RIn преобразуется в ток через резистор ROut, позволяя получить выходное напряжение, привязанное к земляному проводу. Для обеспечения достаточной точности преобразования используемый в этой схеме усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением и большим усилением, а также большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала при широком диапазоне допустимых синфазных сигналов. Все эти характеристики оказывают серьёзное влияние на точность преобразования.

Рис. 1. Типичная схема включения высокопотенциального измерителя тока

В идеале измеритель тока или напряжения не должен оказывать влияния на нагрузку, к которой он подключён. Для измерителя напряжения это означает требование бесконечно большого входного сопротивления, чтобы не вызывать дополнительного тока в нагрузке. Соответственно, измеритель тока должен в идеале иметь нулевое входное сопротивление, чтобы не вызывать изменения напряжения на нагрузке.

Высокопотенциальный измеритель тока (т.е. комбинация резистора датчика и усилителя) обязан отвечать обоим требованиям: датчик тока должен иметь как можно меньшее сопротивление, а усилитель, преобразующий падение напряжения на нём — как можно большее. Чтобы лучше понять это, давайте рассмотрим, что произойдёт при использовании датчика тока с большим сопротивлением. По мере увеличения сопротивления датчика уменьшается приложенное к нагрузке напряжение, а соответствующее увеличение напряжения на датчике ведёт к увеличению его нагрева, что снижает надёжность системы.

Основной причиной для увеличения сопротивления датчика является увеличение выходного напряжения всей схемы, как показывает уравнение 1:

Vout = G RSENSE ISENSE, (1)

где произведение усиления G на сопротивление датчика представляет собой усиление преобразователя в целом. Следовательно, увеличение сопротивления датчика может потребоваться при использовании усилителя с фиксированным или ограниченным коэффициентом усиления. Фактически входной диапазон допустимых напряжений усилителя и максимальный ожидаемый ток в нагрузке и определяют максимальное значение сопротивления датчика:

. (2)

Например, если максимальный ток в нагрузке составляет 50 мА, а диапазон входных напряжений усилителя равен 250 мВ, то максимальное сопротивление датчика при этом равно 5 Ом. В идеале разработчик не должен увеличивать сопротивление датчика для компенсации недостаточного усиления. Если усилитель имеет достаточно большое усиление и хорошую точность, разработчик должен использовать минимально возможное сопротивление датчика тока, величина которого определяется необходимой разрешающей способностью и напряжением смещения усилителя:

. (3)

Например, если необходимая разрешающая способность составляет 1 мА, а напряжение смещения усилителя равно 1 мВ, то минимальное сопротивление датчика составляет 1 Ом. Уравнение (3) является самым важным, т.к. показывает прямую связь параметров датчика с характеристиками усилителя.

Характеристики современных ИС для высокопотенциальных датчиков тока

Современные ИС усилителей обеспечивают кардинальное улучшение параметров. Например, новая микросхема LTC6102 (см. рис. 2) производства Linear Technology выполнена с использованием технологии с нулевым дрейфом. В результате приведённый ко входу дрейф составляет всего 10 мкВ, а температурный коэффициент дрейфа не превышает 50 нВ/°C. Следовательно, с этой ИС можно использовать на порядки меньшие сопротивления датчиков тока, чем с ИС предыдущего поколения. В то же время максимально допустимое входное напряжение LT6102 составляет 2 В, что позволяет при низкой чувствительности нагрузки к высоким сопротивлениям датчиков тока увеличивать их значения. Такое сочетание большого допустимого входного напряжения с малым напряжением смещения даёт динамический диапазон входных напряжений в 106 дБ, позволяя измерять токи в несколько ампер с разрешающей способностью в микроамперы. Поскольку усиление ИС устанавливается внешним резистором, то можно использовать эту ИС для измерения очень малых токов, а при использовании прецизионных резисторов можно получить погрешность установки коэффициента усиления меньше 1%.

Рис. 2. Использование LT6102 как усилителя датчика тока

Улучшение этих характеристик не вызвало ухудшения других параметров. Например, входной ток смещения не превышает 300 пА, а максимальное синфазное напряжение составляет 105 В. При этом ослабление синфазного напряжения — не менее 130 дБ, что обеспечивает увеличение напряжения смещения всего на 32 мкВ при напряжении на датчике в 100 В. В то же время высокое быстродействие усилителя (время установления выходного сигнала составляет 1 мкс) позволяет использовать его для аварийного отключения при неисправностях в нагрузке или источнике питания.

Усилители для разных требований

Типовую схему включения можно с лёгкостью заменить другой, приспособленной под иные требования. Например, эту ИС можно с успехом использовать в полумостовых драйверах электродвигателей для измерения токов в плечах, что является, вероятно, самым эффективным способом измерения токов ключей и обнаружения неисправностей. Очень удобно для этого использовать сдвоенный усилитель LT6103, в котором имеются две прецизионные схемы высокопотенциальных усилителей для токовых датчиков.

В системах с автономным питанием ток в цепи батареи может течь в двух направлениях (при зарядке и разрядке). В этом случае целесообразно применить ИС LT6104, интересной особенностью которой является возможность использования различных сопротивлений в качестве датчиков тока разряда и заряда (хотя не возбраняется и применение в обоих случаях одного и того же датчика). Использование отдельных резисторов может потребоваться потому, что токи в режимах заряда и разряда могут существенно отличаться и применение резисторов с разным сопротивлением позволяет разработчику выбрать подходящую для каждого режима точность измерительной цепи.

В некоторых случаях желательно иметь возможность измерения тока в широком диапазоне потенциалов измерительной цепи, в том числе при нулевом потенциале на датчике. Это позволяет точно измерять токи даже при коротком замыкании в нагрузке. В этих условиях можно использовать микросхему LT6105. В тех случаях, когда аппаратура должна работать при высоких температурах, следует применить ИС LT6107, способную работать при температурах до 150°C.

Заключение

Усилители для высокопотенциальных датчиков тока позволяют получить множество преимуществ при построении контрольных и управляющих схем. Расширение использования, например, систем с батарейным питанием и систем управления двигателями существенно увеличило спрос на усилители с большим допустимым синфазным напряжением и повышенной точностью. Отвечая на эти запросы, LT6102 стала надёжной основой для построения схем с большой точностью измерений и широким диапазоном применения, а также основой для создания других микросхем для специфических приложений. В результате усилители высокопотенциальных датчиков тока соответствуют теперь лучшим образцам современных аналоговых ИС, став прекрасной альтернативой менее точным и более сложным в использовании схемам предыдущего поколения.

Дополнительную информацию о микросхемах Linear Technology см. в руководстве по применению, где представлены схемы для измерения тока (www.linear.com/currentsense).

1 Для переключаемой или коммутируемой нагрузки включение датчика между ключом и нагрузкой вызовет появление большой и, скорее всего, высокочастотной синфазной помехи. Даже у усилителей с очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала этот коэффициент существенно снижается при повышении частоты этого сигнала, приводя к довольно большой ошибке измерения. Чтобы избежать таких помех, резистор датчика следует включать там, где он не будет подвержен влиянию коммутационных помех.

www.russianelectronics.ru

Каталог товаров