Voor de juiste, betrouwbare en probleemloze werking van moderne producten van kracht en niet erg elektronica, is het erg belangrijk om de groottes en vormen van zowel spanningen als stromen die in het apparaat werken, correct te bepalen. Het lot van het project, financieel succes of falen in de exploitatie, en zelfs het leven van mensen kan afhangen van de keuze van zo'n ogenschijnlijk eenvoudig element als een elektrische stroom- of spanningsmeter. Een van de meest geschikte voor dergelijke metingen (in de toekomst zullen we proberen de term "transformatie" te gebruiken, aangezien LLC "DTiN Laboratory" de mening ondersteunt dat sensoren per definitie geen meetinstrumenten zijn) optie zijn meters, de werking waarvan is gebaseerd op het Hall-effect. Het voordeel van deze omvormers is de afwezigheid van energieverliezen in het gecontroleerde circuit, galvanische scheiding tussen de ingangs- en uitgangscircuits, snelheid, de mogelijkheid om te werken in een breed scala aan temperaturen en voedingsspanningen, de mogelijkheid om direct te communiceren met verschillende bewakings- en Besturingsapparatuur.
De nauwkeurigheid van Hall-effectmeters ligt in het bereik van 0,2 tot 2 procent en hangt in de eerste plaats af van de schakelingen die bij het ontwerp van het apparaat zijn gebruikt. Ze worden veel gebruikt in verschillende elektrische installaties, in de regel in beveiligings-, bewakings- en regelcircuits, maar worden bijvoorbeeld vanwege een aantal beperkingen praktisch nooit gebruikt voor commerciële meting van elektriciteit. Soortgelijke omzetters van elektrische signalen zijn te vinden in een modern lasapparaat, in een liftbesturingssysteem en in een auto; het werk van het spoorvervoer is nu ondenkbaar zonder deze apparaten. Hall-effectapparaten kunnen zowel wissel- als gelijkstroom omzetten. Ondanks het feit dat ze vaak "stroomtransformatoren" worden genoemd, is dit hun belangrijkste verschil en voordeel.
Het Hall-effect werd meer dan 130 jaar geleden ontdekt door de Amerikaanse wetenschapper Edwin Hall tijdens experimenten met magnetische velden. Sindsdien is dit effect vele malen beschreven in een grote verscheidenheid aan literatuur. Het is gebaseerd op het optreden van een transversaal elektrisch potentiaalverschil in een constante stroomgeleider in een magnetisch veld.
Waar u op moet letten bij het kiezen van een apparaat voor het meten van indicatoren
- Voedingsspanning. Voor industriële meetapparatuur worden zowel bipolaire (± 12V, ± 15V, ± 18V, ± 24V.) als unipolaire (+5, 12, 24V) voedingen gebruikt. De keuze hangt zowel af van de capaciteiten en behoeften van de ontwikkelaar als van de voorwaarden voor interfaces met besturings- en beheereenheden.
- Conversie nauwkeurigheid. Zoals we al vermeldden, hebben bestaande meters die werken op het Edwin Hall-effect een nauwkeurigheid van 0,2 tot 2 procent, terwijl deze parameter in de regel wordt bepaald door hoe de meter zelf is gebouwd - volgens een direct versterkingsschema of compensatie, met 100% feedback. Zoals in de meeste gevallen is een nauwkeuriger meetapparaat van het compensatietype voor dezelfde nominale elektrische stroom duurder dan zijn tegenhanger, geassembleerd volgens een direct versterkingsschema, heeft het in de regel grote afmetingen en een duidelijk hoger stroomverbruik van de stroombron. De voordelen zijn niet alleen een grotere nauwkeurigheid, die we al hebben genoemd, maar ook een betere lineariteit en ruisimmuniteit.
- Conversie bereik. Dergelijke ontwerpen zijn in staat om een ingangssignaal om te zetten in een proportionele uitgang of overeenkomstige digitaal signaal stroomsterkte van enkele honderden milliampères tot enkele duizenden ampères. Natuurlijk is zo'n mechanisme 10kA en meer, duurder dan zijn tegenhanger van 25A.
- Kader. Deze eenheden hebben mogelijk: Verschillende types gebouwen. Er zijn opties voor installatie op: printplaat, chassis of DIN-rail.
- De temperatuur waarbij deze modules goed kunnen werken. Dus verlaagd werktemperatuur voor meetinstrumenten die werken met stroom en spanning, in de regel -40 C, maar er zijn producten die zelfs bij -50 en zelfs -55C operationeel blijven. De verhoogde bedrijfstemperatuur voor de meeste moderne producten bereikt +85C, er zijn monsters die werken bij +105C.
Classificatie van omvormers volgens het constructieprincipe.
- Directe versterkingsconverter. Voordelen - compact formaat, laag stroomverbruik, het vermogen om te werken met elektrische signalen van eenheden van ampère tot tientallen kiloampère, lage prijs... Ze worden gebruikt om te werken met signalen in het frequentiebereik van DC tot 25, minder vaak 50 kHz. Conversiefout en niet-lineariteit binnen eenheden van procent. Dit type product heeft een hoge overbelastbaarheid, is relatief goedkoop en compact.
- Meters met 100% feedback, ook wel "compensatie" of "zero flux" sensoren genoemd. Zoals de naam al aangeeft, is het belangrijkste onderscheidende kenmerk de aanwezigheid van een lus die is gesloten in magnetische flux. Dergelijke apparaten worden gebruikt om het primaire signaal om te zetten van honderden milliampères naar tientallen kiloampères, van elke vorm en frequentie, variërend van gelijkstroom tot het niveau van 100-150-200 kHz. Compensatieomzetters van deze signalen onderscheiden zich door de beste nauwkeurigheid, lineariteit en weerstand tegen externe magnetische velden. Het conversiebereik van deze instrumenten is lager dan dat van directe versterkingsontwerpen.
- Spanningssensor. Een soort compensatieapparaat van het elektrische signaalomzetterapparaat, gekenmerkt door de aanwezigheid van een ingebouwde primaire wikkeling met grote hoeveelheid draait. De spanning wordt gemeten door een klein primair signaal (meestal bij een nominale spanning van 5 of 10 mA, de keuze hangt af van de ontwikkelaar), ingesteld door een weerstand die in serie is geschakeld met de primaire spoel, om te zetten in een proportioneel uitgangssignaal. Deze apparaten hebben een vrij groot bereik ingangsspanningen, maar hebben beperkingen op de frequentie van het ingangssignaal, aangezien de primaire wikkeling een aanzienlijke inductantie heeft.
- Naar verhouding nieuw type converter - integraal, is een ontwikkeling van het directe versterkingscircuit. Het voordeel is klein formaat, lage prijs. Gedurende de tijd vanaf het moment van verschijnen in 1879 tot vandaag Apparaten die werken aan het door Edwin Hall ontdekte effect zijn zeer, zeer merkbaar veranderd. De nauwkeurigheid en betrouwbaarheid zijn toegenomen, de temperatuurstabiliteit is aanzienlijk verbeterd, de afmetingen en prijzen van deze mechanismen nemen gestaag af. Al deze verbeteringen werden mogelijk door de ontwikkeling van technologieën in de productie elektronische componenten en als gevolg van nieuwe eisen voor deze klasse van producten. Steeds meer gebruik vind je in modern leven verzadigd met elektronische en elektrische apparaten.
De moderne industrie stelt speciale eisen aan de betrouwbaarheid en stabiliteit van de werking van elektrische dataomvormers die worden gebruikt om de werking en besturing te bewaken. de meest complexe systemen... Dit maakt het noodzakelijk om het ontwerp van apparaten te blijven verbeteren, hun technische kenmerken te verbeteren, waardoor ze steeds betrouwbaarder, eenvoudiger en gebruiksvriendelijker worden.
Een beginnende ontwikkelaar gaat in de regel tot het uiterste, hanteert een nauwkeurigheid van minimaal 0,1%, en frequentierespons van 100 kHz en dan vraagt hij zich lange tijd af dat de hem voorgestelde oplossing geld kost dat vergelijkbaar is met de prijs van de helft, of zelfs zijn hele ontwikkeling. Meest moderne toepassingen vanwege de verbetering van de parameters van vermogenshalfgeleiders is een nauwkeurigheid van 1-2% meer dan genoeg, en de belangrijkste factor bij het kiezen van converters is betrouwbaarheid en stabiliteit van de werking, maar deze problemen houden niet direct verband met circuits en zijn het waard aparte overweging.
MeettechniekHall-element stroomsensor
Het functionele diagram van de stroomsensor van het compensatietype wordt getoond in Fig. 1 Het voor het magnetische veld gevoelige Hall-element bevindt zich in de opening van het ringvormige magnetische circuit.
De gemeten stroom Imeas, die door de wikkeling I. vloeit, creëert een magnetische flux in het magnetische circuit, die een EMF induceert in het Hall-gevoelige element dat evenredig is met deze stroom. Na versterking wordt het signaal van het element toegevoerd aan de compensatiewikkeling II. De stroom Ic die er doorheen stroomt, creëert een magnetische flux in de tegenovergestelde richting in het magnetische circuit. Magneetsysteem, Hall-element en versterker vormen een negatieve feedbacklus die de gelijkheid handhaaft
waar W1 en W || - het aantal windingen van wikkelingen I en II De weerstand R1 die in serie is geschakeld met wikkeling II zet de compensatiestroom om in uitgangsspanning sensor. Als we de weerstand van deze weerstand in ohm kiezen, numeriek gelijk aan de verhouding van het aantal windingen van de wikkeling II
tot het aantal windingen van de wikkeling I, dan wordt de uitgangsspanning in volt numeriek gelijk aan de gemeten stroom in ampère
De maattekening van het Hall-element DHK-0.5A dat in de sensor wordt gebruikt, wordt getoond in Fig. 2 Hall-spanning proportioneel aan stuurstroom en inductie magnetisch veld, gemeten tussen klemmen + U en -U. De gevoeligheid van het element bij een nominale waarde van de stuurstroom van 3 mA (stromend in de + I-klem en uitgaand van de -I-klem) is 280 mV / T. De aangegeven spanningspolariteit en stroomrichting komen overeen met de magnetische inductievector B, gericht, zoals weergegeven in Fig. 2 met een pijl. Resterende uitgangsspanning (bij afwezigheid van een magnetisch veld) niet groter dan 7 mV Ingangsweerstand (tussen klemmen I) - 1,8 ... 3 kΩ, uitgang (tussen klemmen U) - niet meer dan 3 kΩ.
Als er een Hall-element is met een onbekende gevoeligheid, kan dit experimenteel worden bepaald door het element in een luchtspleet met lengte d van een magnetisch circuit te plaatsen waarop een bekend aantal windingen W van een willekeurige draad is gewikkeld. Een stuurstroombron is aangesloten op de "huidige" klemmen van het element, en een millivoltmeter is verbonden met de andere twee. Door de wikkeling wordt een gelijkstroom I geleid. Gevoeligheid (mV / T) is het quotiënt van het delen van de millivoltmeter-aflezingen door de magnetische inductie, berekend met de formule
Het stroomsensorcircuit wordt getoond in Fig. 3 Het magnetische systeem is erop afgebeeld als een transformator T1, in de opening van het magnetische circuit waarvan het Hall-element B1 is ingevoegd. De versterker is gemonteerd op op-amp DA1 en transistors VT2, VT3. De stroomstabilisator op de VT1-transistor stelt de stuurstroom in die door het Hall-element vloeit.
Er is een bipolaire bron nodig om de sensor van stroom te voorzien. constante spanning+/- 15 V De belangrijkste verbruiker van zijn energie is de wikkeling II van de transformator T1. In het beschreven ontwerp zijn de wikkelingen gewikkeld op een ferrietring uit de voeding van de computer. Wikkeling II - 1000 windingen van draad PEV-2 met een diameter van 0,15 mm Daarboven is een winding van 1 - 10 windingen van een geïsoleerde montagedraad met een doorsnede van 0,35 mm2 gewikkeld. In de ring wordt een luchtspleet met een lengte van 2 mm gemaakt - deze is gelijk aan de dikte van het Hall-element dat in de opening is gelijmd
Opgemerkt moet worden dat de magnetische draad geen ferriet hoeft te zijn, deze kan van elk ferromagnetisch materiaal zijn gemaakt.De optimale dwarsdoorsnede van het magnetische circuit is 10 ... 12 mm2. U moet er niet naar streven om de doorsnede te vergroten, dit zal leiden tot een toename van de lengte van de windingen van de compensatiewikkeling en bijgevolg. zijn weerstand Om dezelfde reden moet voor de compenserende wikkeling een draad met de grootst mogelijke diameter worden gekozen.
De vervaardigde sensor wordt getoond in Fig. 4, en de overdrachtskarakteristiek ervan wordt getoond in Fig. 5 Het werd genomen tijdens het meten van een sinusvormige stroom met een frequentie van 50 Hz. De effectieve waarden van stroom en spanning zijn uitgezet langs de assen van de grafiek.Het apparaat had geen weerstand R4. die een stroom-naar-spanning conversiefactor van 1 V / A opleverde, constant in het waardenbereik van de gemeten stroom 0,25 ... 6 A.
Schending van de lineariteit van de karakteristiek bij lage stroom wordt verklaard door het feit dat de vermogensversterker op transistoren VT2 en VT3 in klasse B werkt zonder een initiële bias. De reden voor de niet-lineariteit bij hoge stroomwaarden is de beperking van het signaal in de K140UD7 op-amp, waardoor de vorm van de compenserende stroom niet meer samenvalt met de vorm van de gemeten stroom, en volledige compensatie van de magnetische fluxen in de magnetische geleider treden niet op.
Door dezelfde weerstand R4 parallel aan weerstand R3 te installeren, was het mogelijk om de karakteristiek lineair te maken bij het meten van stroom tot 10 A. De conversiecoëfficiënt daalde echter tot 0,5 V / A.
Dag iedereen!
Misschien is het de moeite waard om mezelf een beetje voor te stellen - ik ben een gewone circuitingenieur die ook geïnteresseerd is in programmeren en enkele andere gebieden van elektronica: DSP, FPGA, radiocommunicatie en enkele andere. V recente tijden stortte zich halsoverkop in SDR-ontvangers. In eerste instantie wilde ik mijn eerste artikel (hopelijk niet het laatste) wijden aan een serieuzer onderwerp, maar voor velen zal het gewoon lezen worden en niet nuttig zijn. Daarom werd het onderwerp gekozen als een zeer gespecialiseerd en exclusief toegepast onderwerp. Ik wil ook opmerken dat alle artikelen en vragen erin waarschijnlijk meer van de kant van het circuit zullen worden bekeken, en niet als een programmeur of iemand anders. Nou laten we gaan!
Nog niet zo lang geleden kreeg ik de opdracht om een "Energiemonitoringsysteem voor woningbouw" te ontwerpen, de klant houdt zich bezig met de bouw van landhuizen, dus sommigen van jullie hebben mijn apparaat misschien zelfs gezien. Dit apparaat gemeten de verbruiksstromen bij elke ingangsfase en spanning, gelijktijdig verzenden van gegevens via het radiokanaal naar het reeds geïnstalleerde systeem " Slim huis»+ Wist de starter bij de ingang van het huis om te hakken. Maar het gesprek van vandaag zal niet over hem gaan, maar over zijn kleine, maar zeer belangrijke component - de huidige sensor. En zoals je al uit de titel van het artikel hebt begrepen, zijn dit "contactloze" stroomsensoren van het bedrijf Allegro - ACS758-100.
________________________________________________________________________________________________________________________
Je kunt de datasheet bekijken waarop ik het over de sensor zal hebben. Zoals je misschien al vermoedt, is het getal "100" aan het einde van de markering de grensstroom die de sensor kan meten. Eerlijk gezegd heb ik hier mijn twijfels over, het lijkt mij dat de conclusies gewoon niet lang bestand zijn tegen 200A, hoewel het best geschikt is om de inschakelstroom te meten. In mijn toestel laat een 100A sensor continu minimaal 35A+ door zich heen lopen zonder problemen + er zijn verbruikspieken tot 60A.
Afbeelding 1 - Buitenaanzicht van de ACS758-100 (50/200) sensor
Voordat u verdergaat met het hoofdgedeelte van het artikel, raad ik u aan om vertrouwd te raken met twee bronnen. als je hebt basis kennis over elektronica zijn ze overbodig en sla deze paragraaf gerust over. Voor de rest raad ik je aan om te gaan hardlopen voor algemene ontwikkeling en begrip:
1) Hall-effect. Fenomeen en werkingsprincipe
2) Moderne stroomsensoren
________________________________________________________________________________________________________________________
Laten we beginnen met het belangrijkste, namelijk de markering. Ik koop componenten 90% van de tijd bij www.digikey.com. Componenten arriveren in 5-6 dagen in Rusland, de site heeft waarschijnlijk alles, ook een zeer handige parametrische zoekopdracht en documentatie. Dus volle lijst familiesensoren zijn daar op aanvraag te vinden " ACS758". Mijn sensoren zijn op dezelfde plek gekocht - ACS758LCB-100B.
Binnen de datasheet over markering is alles geverfd, maar ik zal nog steeds aandacht besteden aan het belangrijkste punt " 100V":
1) 100
- dit is de meetlimiet in ampère, dat wil zeggen, mijn sensor kan tot 100A meten;
2) "V"- deze brief verdient speciale aandacht, in plaats daarvan kan er ook een brief zijn" u". Sensor met letter B weet wisselstroom, en dus gelijkstroom, te meten. Sensor met letter u kan alleen gelijkstroom meten.
Ook aan het begin van de datasheet staat een uitstekend teken over dit onderwerp: 
Afbeelding 2 - Typen stroomsensoren van de ACS758-familie
Een van de belangrijkste redenen voor het gebruik van een dergelijke sensor was ook - galvanische isolatie... Voedingspennen 4 en 5 zijn niet elektrisch verbonden met pennen 1,2,3. In deze sensor is communicatie alleen in de vorm van een geïnduceerd veld.
Een andere verscheen in deze tabel. belangrijke parameter- afhankelijkheid van de uitgangsspanning van de stroom. de charme van dit type sensoren omdat ze een uitgangsspanning hebben en geen stroom zoals bij klassieke stroomtransformatoren, wat erg handig is. De sensoruitgang kan bijvoorbeeld direct worden aangesloten op: ADC-ingang microcontroller en neem metingen.
Mijn sensor heeft deze waarde 20 mV / A... Dit betekent dat wanneer een stroom van 1A door de klemmen 4-5 van de sensor vloeit, de spanning aan de uitgang zal toenemen met 20 mV... Ik denk dat de logica duidelijk is.
Wat is het volgende moment de uitgangsspanning? Aangezien de voeding "menselijk" is, dat wil zeggen unipolair, moet er bij het meten van wisselstroom een "referentiepunt" zijn. Voor een bepaalde zender is dit referentiepunt 1/2 van de voeding (Vcc). Zo'n oplossing is vaak het geval en is handig. Wanneer de stroom in één richting vloeit, zal de output zijn " 1/2 Vcc + I * 0,02V", in de andere halve cyclus, wanneer de stroom naar binnen stroomt achterkant de uitgangsspanning zal smaller zijn " 1/2 Vcc-I * 0.02V". Aan de uitgang krijgen we een sinusoïde, waarbij" nul "is 1 / 2Vcc... Als we gelijkstroom meten, dan hebben we aan de uitgang " 1/2 Vcc + I * 0,02V", dan trekken we bij het verwerken van de gegevens op de ADC gewoon de constante component af 1/2 Vcc en we werken met echte gegevens, dat wil zeggen, met de rest ik * 0.02V.
Nu is het tijd om in de praktijk te testen wat ik hierboven heb beschreven, of liever afgetrokken van de datasheet. Om met de sensor te werken en zijn mogelijkheden te testen, heb ik deze "mini-standaard" gebouwd:
Afbeelding 3 - Locatie voor het testen van de huidige sensor
Allereerst heb ik besloten om de sensor van stroom te voorzien en de output te meten om er zeker van te zijn dat deze als "nul" wordt beschouwd 1/2 Vcc... Het aansluitschema kan in de datasheet worden genomen, maar ik, die alleen kennis wilde maken, verspilde geen tijd en beeldhouwde een filtercondensator voor voeding + RC laagdoorlaatfiltercircuit op de Vout-pin. In een echt apparaat kun je nergens heen zonder! Ik kwam uit op de volgende foto:
Figuur 4 - Het resultaat van het meten van "nul"
Wanneer stroom wordt toegepast 5B van mijn sjaals STM32VL-Ontdekking Ik zag de volgende resultaten - 2.38V... De allereerste vraag die opkwam: " Waarom 2.38 en niet die beschreven in datasheet 2.5?"De vraag verdween bijna onmiddellijk - ik heb de powerbus gemeten tijdens het debuggen en er is 4,76-4,77V. En het punt is dat eten is klaar met USB is er al 5V, na USB is er een lineaire stabilisator LM7805, en dit is duidelijk geen LDO met een daling van 40 mV. Hier is het ongeveer 250 mV en valt. Nou, oké, dit is niet kritisch, het belangrijkste is om te weten dat "nul" 2,38V is. Het is deze constante die ik zal aftrekken bij het verwerken van gegevens van de ADC.
Laten we nu de eerste meting doen, tot nu toe alleen met behulp van een oscilloscoop. Ik zal de kortsluitstroom van mijn gereguleerde voeding meten, het is gelijk aan 3.06A... Dit en de ingebouwde ampèremeter geeft aan en de toevalstreffer gaf hetzelfde resultaat. Welnu, we verbinden de uitgangen van de voedingseenheid met de poten 4 en 5 van de sensor (op de foto heb ik de vitukha gegooid) en kijken wat er gebeurde:
Figuur 5 - Meting van de kortsluitstroom van de PSU
Zoals we kunnen zien, is de spanning aan Vout toegenomen van 2.38V tot 2.44V... Als je naar de afhankelijkheid hierboven kijkt, dan hadden we moeten hebben 2.38V + 3.06A * 0.02V / A, wat overeenkomt met de waarde van 2,44V. Het resultaat komt overeen met de verwachtingen, bij een stroomsterkte van 3A kregen we een toename tot "nul" gelijk aan 60 mV... Conclusie - de sensor werkt, je kunt er al mee werken met de MK.
Nu moet u een stroomsensor aansluiten op een van de ADC-pinnen op de STM32F100RBT6-microcontroller. De steen zelf is zeer middelmatig, systeem frequentie slechts 24 MHz, maar deze hoofddoek heeft veel overleefd en heeft zich gevestigd. Ik heb hem waarschijnlijk al 5 jaar in mijn bezit, omdat hij gratis werd ontvangen op een moment dat ST links en rechts werd uitgedeeld.
In eerste instantie wilde ik uit gewoonte een op-amp met een coëfficiënt achter de sensor plaatsen. krijg "1", maar toen ik naar het structurele diagram keek, realiseerde ik me dat hij al binnen was. Het enige dat het overwegen waard is, is dat bij maximale stroom het uitgangsvermogen gelijk zal zijn aan de sensorvoeding Vcc, dat wil zeggen ongeveer 5V, en STM kan meten van 0 tot 3,3V, dus in dit geval is het noodzakelijk om een resistieve spanningsdeler, bijvoorbeeld 1: 1,5 of 1: 2. Mijn stroom is schaars, dus ik zal dit moment voor nu verwaarlozen. Mijn testapparaat ziet er als volgt uit:
Figuur 6 - Onze "ampèremeter" samenstellen
Om de resultaten te visualiseren, heb ik ook het Chinese display op de ILI9341-controller geschroefd, omdat het bij de hand lag en mijn handen het op geen enkele manier konden bereiken. Om een volwaardige bibliotheek voor hem te schrijven, heb ik een paar uur en een kop koffie vermoord, omdat de datasheet verrassend informatief was, wat zeldzaam is voor de ambachten van de zonen van Jackie Chan.
Nu moeten we een functie schrijven om Vout te meten met Microcontroller-ADC... Ik zal je niet in detail vertellen, er is al een zee aan informatie en lessen over STM32. Dus kijk maar:
Uint16_t get_adc_value () (ADC_SoftwareStartConvCmd (ADC1, ENABLE); while (ADC_GetFlagStatus (ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); retourneer ADC_GetConversionValue (ADC1);)
Om de resultaten van de ADC-meting in de uitvoerbare code van het hoofdgedeelte of de interrupt te krijgen, moet u het volgende registreren:
Data_adc = get_adc_value ();
Door de variabele data_adc vooraf te declareren:
Extern uint16_t data_adc;
Als resultaat krijgen we de data_adc variabele, die een waarde heeft van 0 tot 4095, aangezien De ADC in STM32 is 12 bit. Vervolgens moeten we het resultaat "in papegaaien" omzetten in een meer bekende vorm voor ons, dat wil zeggen in ampères. Daarom is het noodzakelijk om eerst de deelprijs te berekenen. Na de stabilisator op de 3,3V-bus, gaf mijn oscilloscoop 3,17V aan, begon niet uit te zoeken waar hij mee verbonden was. Daarom, als we 3.17V delen door 4095, krijgen we de waarde 0,000774V - dit is de deelprijs. Dat wil zeggen, nadat ik het resultaat van de ADC heb ontvangen, bijvoorbeeld 2711, vermenigvuldig ik het eenvoudig met 0,000774V en krijg ik 2,09V.
In onze taak is de spanning slechts een "bemiddelaar", we moeten deze nog vertalen naar ampère. Om dit te doen, moeten we 2,38B van het resultaat aftrekken en de rest delen door 0,02 [B / A]. We kregen de volgende formule:
Float I_out = ((((float) data_adc * presc) -2.38) /0.02);
Welnu, het is tijd om de firmware naar de microcontroller te uploaden en de resultaten te zien:
Figuur 7 - De resultaten van meetgegevens van de sensor en hun verwerking
Ik heb het eigen verbruik van de schakeling gemeten op 230 mA. Na hetzelfde te hebben gemeten met een geverifieerde flux, bleek het verbruik 201 mA te zijn. Nou, één decimaal is al erg cool. Laat me uitleggen waarom ... Het bereik van de gemeten stroom is 0..100A, dat wil zeggen, de nauwkeurigheid tot 1A is 1%, en de nauwkeurigheid tot tienden van een ampère is al 0,1%! En let op, dit is zonder circuitoplossingen. Ik was zelfs te lui om stroomfiltergeleiders op te hangen.
Nu is het nodig om de kortsluitstroom (SC) van mijn voeding te meten. Ik draai de hendel maximaal en krijg het volgende beeld:
Afbeelding 8 - Kortsluitstroommetingen
Nou ja, eigenlijk de uitlezingen bij de bron zelf met zijn eigen ampèremeter:
Afbeelding 9 - Waarde op de BP-schaal
In feite toonde het 3.09A, maar terwijl ik aan het fotograferen was, werd de vitukha heet en nam de weerstand toe, en de stroom viel dienovereenkomstig, maar dit is niet zo eng.
Kortom, ik weet niet eens wat ik moet zeggen. Ik hoop dat mijn artikel beginnende radioamateurs op de een of andere manier zal helpen op hun moeilijke pad. Misschien vindt iemand mijn presentatie van het materiaal leuk, dan kan ik periodiek blijven schrijven over het werken met verschillende componenten. U kunt uw wensen over het onderwerp kenbaar maken in de opmerkingen, ik zal proberen er rekening mee te houden.
Inhoud:Om verschillende technologische processen met succes te automatiseren en apparaten, apparaten, machines en mechanismen effectief te besturen, moet u voortdurend veel parameters en fysieke hoeveelheden... Daarom een integraal onderdeel automatische systemen sensoren zijn geworden die informatie geven over de status van bewaakte apparaten.
In de kern is elke sensor: deel van regel-, sein-, meet- en regelapparatuur. Met zijn hulp wordt een of andere gecontroleerde waarde omgezet in zeker type signaal waarmee u de ontvangen informatie kunt meten, verwerken, registreren, verzenden en opslaan. In sommige gevallen kan de sensor de gecontroleerde processen beïnvloeden. Al deze eigenschappen zijn volledig in het bezit van de stroomsensor die in veel apparaten en microschakelingen wordt gebruikt. Het zet de impact van een elektrische stroom om in signalen die handig zijn voor verder gebruik.
Sensorclassificatie
Sensoren die in verschillende apparaten worden gebruikt, worden geclassificeerd volgens bepaalde criteria. Waar mogelijk om invoergrootheden te meten, kunnen dit zijn: elektrische, pneumatische, snelheidssensoren, mechanische verplaatsingen, druk, versnelling, kracht, temperaturen en andere parameters. Onder hen is de meting van elektrische en magnetische grootheden ongeveer 4%.
Elke sensor zet een ingangswaarde om in een uitgangsparameter. Afhankelijk hiervan, Besturingsapparatuur kan niet-elektrisch en elektrisch zijn.
Van de laatste zijn de meest voorkomende:
- DC-sensoren
- AC-amplitudesensoren
- Weerstandssensoren en andere soortgelijke apparaten.
Het belangrijkste voordeel van elektrische sensoren is de mogelijkheid om met hoge snelheid informatie over bepaalde afstanden te verzenden. Het gebruik van een digitale code zorgt voor een hoge nauwkeurigheid, snelheid en verhoogde gevoeligheid van meetinstrumenten.
Operatie principe
Volgens het werkingsprincipe zijn alle sensoren verdeeld in twee hoofdtypen. Ze kunnen op generatoren zijn gebaseerd - ingangshoeveelheden worden direct omgezet in een elektrisch signaal. Parametrische sensoren zijn apparaten die invoerwaarden omzetten in gewijzigde elektrische parameters van de sensor zelf. Bovendien kunnen ze reostatisch, ohms, foto-elektrisch of opto-elektronisch, capacitief, inductief, enz. zijn.
Aan de werking van alle sensoren worden bepaalde eisen gesteld. In elk apparaat moeten de invoer- en uitvoerwaarden in directe relatie met elkaar staan. Alle kenmerken moeten stabiel zijn in de tijd. In de regel worden deze apparaten gekenmerkt door een hoge gevoeligheid, een klein formaat en gewicht. Ze kunnen in een groot aantal verschillende omstandigheden werken en op verschillende manieren worden geïnstalleerd.
Moderne stroomsensoren
Stroomsensoren zijn apparaten die de sterkte van gelijk- of wisselstroom in elektrische circuits... Hun ontwerp omvat een magnetisch circuit met een opening en een compensatiewikkeling, evenals een elektronisch bord dat elektrische signalen verwerkt. Het belangrijkste detectie-element is een Hall-sensor die in de opening van het magnetische circuit is bevestigd en is aangesloten op de ingang van de versterker.
Het werkingsprincipe is over het algemeen voor iedereen hetzelfde. vergelijkbare apparaten... Onder invloed van de gemeten stroom wordt een magnetisch veld gegenereerd, vervolgens wordt met behulp van een Hall-sensor de bijbehorende spanning gegenereerd. Verder wordt deze spanning aan de uitgang versterkt en toegevoerd aan de uitgangswikkeling.
De belangrijkste soorten stroomsensoren:
Directe versterkingssensoren (O / L)... Ze hebben een klein formaat en gewicht, een laag stroomverbruik. Het bereik van signaalconversies is aanzienlijk uitgebreid. Voorkomt verliezen in het primaire circuit. De werking van het apparaat is gebaseerd op een magnetisch veld dat een primaire stroom creëert Ik p... Verder is er een concentratie van het magnetische veld in het magnetische circuit en de verdere transformatie ervan door het Hall-element in de luchtspleet. Het signaal dat van het Hall-element wordt ontvangen, wordt versterkt en aan de uitgang wordt een proportionele kopie van de primaire stroom gevormd.
Stroomsensoren (Eta)... Ze worden gekenmerkt door een breed frequentiebereik en een uitgebreid conversiebereik. De voordelen van deze apparaten zijn een laag stroomverbruik en een lage latentie. De werking van het apparaat wordt ondersteund door een unipolaire voeding van 0 tot +5 volt. De werking van het apparaat is gebaseerd op een gecombineerde technologie die gebruik maakt van een compensatietype en directe versterking. Dit draagt bij aan een aanzienlijke verbetering van de sensorprestaties en een meer gebalanceerde werking.
Compensatiestroomsensoren (C / L)... Ze verschillen in een breed frequentiebereik, hoge precisie en lage latentie. Apparaten van dit type hebben geen verlies van het primaire signaal, ze hebben uitstekende prestatie lineariteit en lage temperatuurafwijking. Compensatie van het magnetische veld gegenereerd door de primaire stroom Ik p, treedt op vanwege hetzelfde veld dat wordt gegenereerd in de secundaire wikkeling. De secundaire compensatiestroom wordt gegenereerd door het Hall-element en de elektronica van de sensor zelf. Uiteindelijk is de secundaire stroom een proportionele kopie van de primaire stroom.
Compensatiestroomsensoren (type C)... De onbetwiste voordelen van deze apparaten zijn een breed frequentiebereik, hoge informatienauwkeurigheid, uitstekende lineariteit en verminderde temperatuurafwijking. Bovendien kunnen deze instrumenten differentiële stromen (CD) meten. Zij bezitten hoge niveaus isolatie en verminderde invloed op het primaire signaal. De structuur bestaat uit twee torusvormige magnetische circuits en twee secundaire wikkelingen. De sensoren zijn gebaseerd op ampère-turns compensatie. Lage stroom van het primaire circuit vloeit door de primaire weerstand en de primaire wikkeling.
PRIME stroomsensoren... Voor AC-conversie, een brede dynamisch bereik... Het apparaat wordt gekenmerkt door een goede lineariteit, lage temperatuurverliezen en geen magnetische verzadiging. Het voordeel van het ontwerp is klein formaat en gewicht, hoge weerstand tegen: verschillende soorten overbelasting. De nauwkeurigheid van de metingen is onafhankelijk van hoe de kabel in het gat is geplaatst en wordt niet beïnvloed door externe velden. Deze sensor maakt geen gebruik van een traditionele open spoel, maar een detectiekop met sensorprintplaten. Elk bord bestaat uit twee afzonderlijke luchtkernspoelen. Ze zijn allemaal gemonteerd op een enkele basisprintplaat. Van de sensorborden worden twee concentrische circuits gevormd, aan de uitgangen waarvan de geïnduceerde spanning wordt opgeteld. Als resultaat wordt informatie verkregen over de parameters van de amplitude en fase van de gemeten stroom.
Stroomsensoren (IT-type)... Ze worden gekenmerkt door een hoge nauwkeurigheid van de metingen, breed frequentiebereik, laag geluidsniveau uitgangssignaal, stabiliteit op hoge temperatuur en lage kruisvervorming. Er zijn geen Hall-elementen in het ontwerp van deze sensoren. De primaire stroom creëert een magnetisch veld, dat verder wordt gecompenseerd door de secundaire stroom. Aan de uitgang is de secundaire stroom een evenredige kopie van de primaire stroom.
Voordelen van stroomsensoren in moderne circuits
IC's op basis van stroomsensoren spelen een belangrijke rol bij energiebesparing. Dit wordt mogelijk gemaakt door een laag stroom- en energieverbruik. Geïntegreerde schakelingen combineren alle benodigde elektronische componenten. De prestaties van de apparaten zijn aanzienlijk verbeterd dankzij samenwerken magneetveldsensoren en alle andere actieve elektronica.
Moderne sensoren stroom draagt bij aan verdere afslanking, aangezien alle elektronica in één gemeenschappelijke chip... Dit heeft geleid tot een nieuwe innovatieve compact ontwerpoplossingen, inclusief die met betrekking tot de primaire band. Elke nieuwe stroomsensor heeft een verhoogde isolatie en werkt succesvol samen met andere soorten elektronische componenten.
Dankzij de nieuwste sensorontwerpen kunnen ze in bestaande installaties zonder de primaire geleider los te koppelen. Ze bestaan uit twee delen en zijn afneembaar, waardoor ze eenvoudig en zonder onderbrekingen op de primaire geleider kunnen worden geïnstalleerd.
Voor elke sensor is er een technische documentatie, die alle benodigde informatie weergeeft, waarmee u voorlopige berekeningen kunt maken en de plaats van het meest optimale gebruik kunt bepalen.
bedrijven Texas Instrumenten en Honeywell aanbod Hall-sensoren met ultralaag stroomverbruik voor compacte toepassingen zelf aangedreven. Beschikbare modellen om de vaste positie te bepalen object en voor het meten zijn beweging... Wat zijn de verschillen tussen TI- en Honeywell-sensoren en welk model? beter passen in een of ander geval?
Voor verzending naar electronisch circuit informatie over de positie van verschillende bewegende elementen, zoals assen, dempers, deksels, rotoren van elektromotoren, werden ooit gespecialiseerde apparaten ontwikkeld, bekend als positiesensoren. Er zijn sensoren op basis van elektromechanische, capacitieve, inductieve, ultrasone, magnetische of optische werkingsprincipes, evenals vele gecombineerde apparaten. Elk type sensor heeft specifieke voor- en nadelen en heeft zijn eigen toepassingsgebied. In de afgelopen decennia is de lijst met typen positiesensoren aangevuld met een ander type - sensoren op basis van het Hall-effect.
De onderscheidende kenmerken van moderne elektronica zijn compactheid en zuinigheid. En als Hall-sensoren nooit speciale problemen hadden met compactheid, was het tot voor kort niet eenvoudig met efficiëntie: vanwege het verschijnen van economische elektronische apparaten waarmee het apparaat meerdere jaren kan werken vanuit een enkel element lithium batterij, levert zelfs een klein stroomverbruik van een conventionele Hall-sensor al een aanzienlijke bijdrage aan het totale stroomverbruik van het systeem.
Daarom hebben recent toonaangevende fabrikanten van elektronische componenten, waaronder: Texas Instrumenten en Honeywell, introduceerde een nieuw type Hall-effect positiesensoren die zuiniger zijn. Een belangrijk kenmerk van deze microschakelingen is hun ultralage eigen stroomverbruik, wat ze, samen met hun compacte formaat en hoge gevoeligheid, ideaal maakt voor compacte batterijgevoede toepassingen zoals draadloze sensoren beveiligingssystemen, IoT-apparaten en andere systemen.
Kenmerken van discrete Hall-effectsensoren met laag vermogen
Maak onderscheid tussen lineaire en discrete Hall-sensoren (Figuur 1). Uitgangssignalen: lineaire sensoren evenredig met de grootte van de magnetische inductie. Het belangrijkste toepassingsgebied van dergelijke apparaten is magnetische veldsterktemeters, constant en wisselstroom(Figuur 2), contactloze potentiometers, hoeksensoren en andere toepassingen die werken met continue signalen. Naast de versterker- en temperatuurcompensatiecircuits kunnen microcircuits, afhankelijk van de specialisatie, vele andere knooppunten bevatten, bijvoorbeeld ADC's, alarmcomparators voor het activeren van de centrale microcontroller, controllers van populaire datatransmissie-interfaces (USART, I 2 C, SPI en anderen), en ook niet-vluchtig geheugen voor het opslaan van instellingen.
Wanneer de absolute waarde van de magnetische veldinductie er niet toe doet, en het belangrijk is om alleen de aan- of afwezigheid van een magnetisch veld te bepalen, gebruik dan Hall-sensoren met discrete uitgang... Deze microschakelingen integreren meestal een of meer comparatoren met hysterese, die de spanning aan de uitgang van de differentiële versterker vergelijken met drempelniveaus. Het toepassingsgebied van discrete Hall-sensoren is een breed scala aan geautomatiseerde toepassingen: deuropeningssensoren, frequentiemeters, synchronisatoren, auto-ontstekingssystemen, controllers van bewegende elementen (kleppen, schuifafsluiters, deksels, enz.), beveiligingssystemen, motorbesturingsapparatuur en vele andere.
Een klassiek voorbeeld van het gebruik van discrete Hall-sensoren zijn elektromotoren die worden gebruikt in computerapparatuur(Figuur 3). Een Hall-sensor op het motorbord meet de sterkte van het magnetische veld dat wordt gecreëerd door de permanente magneet van de rotor en genereert een pulssignaal met logische niveaus waarvan de frequentie evenredig is met de rotatiesnelheid, waardoor het mogelijk is om beide te evalueren de gezondheid en prestaties van de ventilator.
Naar verhouding nieuw gebied Toepassingen van discrete Hall-sensoren zijn bewakingsapparatuur op afstand waarin ze geleidelijk hermetisch afgesloten elektromechanische contacten (reed-schakelaars) vervangen die traditioneel in deze toepassingen worden gebruikt. Bijvoorbeeld door een Hall-sensor te gebruiken in combinatie met een 3-assige accelerometer in een draadloze deursensor DMS-100 geproduceerd door het bedrijf Pandora(Figuur 4), stelt u in staat om de impact, rotatie en staat (open / gesloten) van deuren, luiken, deksels van kleerkasten, bagagerekken, aanhangwagens te herkennen. Aangezien de DMS-100-sensor gebruikmaakt van: draadloze interface gegevensoverdracht en werkt op batterijen en kan gemakkelijk en snel op moeilijk bereikbare plaatsen worden geplaatst.
De belangrijkste voordelen van Hall-sensoren in vergelijking met reed-schakelaars zijn hoge betrouwbaarheid, compactheid en verhoogde gevoeligheid. Bovendien kan het meetelement niet alleen de grootte, maar ook de polariteit van het magnetische veld bepalen, onder meer door meerdere coördinaten. Al deze voordelen maken het mogelijk om Hall-sensoren te positioneren als een veelbelovende elementbasis.
In het geval dat continue bewaking van het object niet vereist is (bijvoorbeeld voor beveiligingssystemen), kan het energieverbruik van de Hall-sensor worden verminderd door over te schakelen naar intermitterend bedrijf. Bij het bedienen van bijvoorbeeld een deur of raam is het niet nodig om constant hun toestand te bepalen, het is voldoende om dit meerdere keren per seconde te doen, omdat de snelheid van hun beweging relatief laag is. Omdat het meetelement van de Hall-sensor praktisch traagheidsloos is en de moderne elementbasis wordt gekenmerkt door hoge snelheid, zijn slechts enkele tientallen microseconden voldoende om het niveau van het magnetische veld te meten zonder in te boeten aan nauwkeurigheid. Dus als de sensormicroschakeling zich het grootste deel van de tijd in de slaapmodus bevindt, waarin het stroomverbruik wordt verlaagd tot een niveau van enkele microampères, dan kan de gemiddelde waarde van de stroom die door de sensor wordt verbruikt, met verschillende ordes van grootte worden verminderd.
Stel bijvoorbeeld dat 100 µs en een stroomsterkte van 5 mA voldoende zijn om metingen te doen. Als er 10 keer per seconde wordt gemeten met een interval van 100 ms, dan wordt bij een stroomverbruik in slaapstand van 5 A de gemiddeld verbruikte stroom Iav berekend volgens formule 1 (Figuur 5):
$$ I_ (cf) = \ frac (T_ (1)) (T) \ tijden I_ (1) + \ frac (T_ (2)) (T) \ tijden I_ (2), \ qquad (\ mathrm (( )) (1) (\ wiskunde ())) $$
waar t 1 = (t 1 - 0) - duur van de meetfase, t 2 = (t – t 1) - de duur van de slaapmodus, dat wil zeggen (0,1 / 100) ∙ 5000 + (99,9 / 100) ∙ 5 ≈ 10 μA.
Dit is 500 keer minder dan de stroom van 5 mA die de microschakeling zou verbruiken bij het uitvoeren van continue metingen. Het gebruik van de intermitterende modus is dus een effectief middel om het stroomverbruik van discrete Hall-sensoren te verminderen zonder afbreuk te doen aan hun functionaliteit, waardoor ze ideaal zijn voor een breed scala aan compacte batterijgevoede toepassingen.
Hall-effectsensoren met laag vermogen van Texas Instruments
Op het moment van schrijven omvat het assortiment van TI twee ultra-low-power sensormodellen die elkaar aanvullen in termen van functionaliteit. Het belangrijkste verschil tussen de voorgestelde apparaten is de methode om het uitgangssignaal te genereren. De DRV5032-microschakelingen registreren de aanwezigheid van een magnetisch veld met een inductie boven de drempelwaarde, die, afhankelijk van de wijziging, in het bereik van 3,8 ... 63 mT kan liggen (Figuur 6), terwijl DRV5012-sensoren een vergrendelingsfunctie hebben, waarvan de toestand alleen verandert wanneer de polariteit van het magnetische veld verandert (Figuur 7). Dit bepaalt het praktische doel van de microschakelingen: DRV5032 is in de eerste plaats ontworpen om de aanwezigheid van objecten te detecteren, bijvoorbeeld om de opening van een raam of deur te bevestigen, en kan werken met conventionele bipolaire magneten en DRV5012 - om beweging te meten, voor bijvoorbeeld de rotor van een elektromotor, en zijn meer gericht op het werken met meerpolige magneten.
Vereenvoudigd structurele regeling DRV5032-sensoren worden weergegeven in afbeelding 8 en hun technische kenmerken zijn weergegeven in tabel 1. De microschakeling integreert: een spanningsstabilisator die de noodzakelijke bedrijfsmodus biedt voor alle knooppunten in een breed bereik van voedingsspanning, een gecontroleerde stroombron voor het meetelement , een differentiële operationele versterker met compensatiecircuits die de invloed van temperatuur en voorspanning aan de uitgang van het meetelement en de regeluitgangen elimineren logische poorten... Van externe componenten voor een stabiele werking van het apparaat is alleen een blokkerende keramische condensator met een capaciteit van ten minste 0,1 F nodig, die voorbijgaande processen in het voedingscircuit elimineert vanwege het impulskarakter van de verbruikte stroom.
Tafel 1. Specificaties: microschakelingen DRV5032
| Opties | Naam | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DRV5032DU | DRV5032FA | DRV5032FB | DRV5032FC | DRV5032FD | DRV5032AJ | DRV5032ZE | |
| Gevoeligheid, mT | 3,9 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 9,5 | 63 |
| Type magnetische veldgevoeligheid | unipolair | bipolair | bipolair | bipolair | unipolair | bipolair | bipolair |
| Uitgangstype: | Tweetakt | Tweetakt | Tweetakt | Open afvoer | Tweetakt | Open afvoer | Open afvoer |
| Aantal uitgangen | 1, 2 * | 1 | 1 | 1 | 2 * | 1 | 1 |
| Bemonsteringsfrequentie, typ., Hz | 20 | 20 | 5 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| Voedingsspanning, V | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65..5,5 | 1,65…5,5 |
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | |
| Gemiddeld stroomverbruik, typ. **, A | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 0,54…1,06 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 |
| 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | |
| 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | |
| Werktemperatuur, ° С | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 |
| Kader | SOT-23, X2SON | SOT-23, X2SON | SOT-23 | SOT-23 | X2SON | SOT-23, X2SON | SOT-23 |
| * Afhankelijk van het type behuizing: SOT-23 - één uitgang (geactiveerd wanneer de magneet met de zuidpool naar de sensor is gericht); X2SON - twee uitgangen (voor de noord- en zuidpool). ** Bij een voedingsspanning van 1,8 ... 5,0 V. |
|||||||
Afhankelijk van de versie kunnen DRV5032-chips gevoelig zijn voor de polariteit van een extern magnetisch veld. Voor bipolaire versies wordt de uitgangsspanning laag wanneer het magnetische veld boven de drempelwaarde stijgt, ongeacht de polariteit (Figuur 6). Dit vereenvoudigt de fabricage van de apparatuur, aangezien in dit geval de handeling van het positioneren van de magneetpolen wordt geëlimineerd. Unipolaire versies (met achtervoegsels DU en FD) kunnen twee uitgangen hebben: de OUT1-uitgang wordt geschakeld naar de status logische nul wanneer de magneet met de noordpool naar het apparaat is gericht en OUT2 - met het zuiden (Figuur 9). De mogelijkheid om de polariteit van het magnetische veld te bepalen, breidt de functionaliteit van eindtoepassingen uit, waardoor u niet alleen de aanwezigheid van een object, maar ook de oriëntatie ervan kunt bepalen. In microcircuits met het DU-achtervoegsel, geproduceerd in het drie-pins SOT-23-pakket, is de OUT1-uitgang afwezig en kunnen ze alleen de aanwezigheid bepalen van een magneet die op de sensor is gericht met de zuidpool.
Het type uitgangen is ook afhankelijk van de versie van het apparaat. De familie bevat zowel microschakelingen met een push-pull-uitgang, die het mogelijk maakt om de sensoruitgangen rechtstreeks op de microcontrollerpoorten aan te sluiten zonder gebruik te maken van externe pull-up-weerstanden, en apparaten met een "open drain"-uitgang, waarmee de uitgangen kunnen worden gecombineerd van meerdere sensoren volgens het bedradings-OF-schema. Bovendien maakt een breed scala aan voedingsspanningen van 1,65 ... 5,5 V het mogelijk om de DRV5032-microschakelingen te gebruiken met de meest populaire series microcontrollers zonder gebruik te maken van aanvullende regelingen overeenkomen met de niveaus van logische signalen.
Om de sterkte van het externe magnetische veld te meten, hebben de DRV5032-microschakelingen gemiddeld 40 s nodig. Bovendien voeren alle versies, behalve apparaten met het FB-achtervoegsel, 20 metingen per seconde uit. Dit maakt het mogelijk om bij een maximaal stroomverbruik van 2 mA de waarde van de gemiddelde waarde te verlagen tot een niveau van 1,3 ... 2,4 μA. Nog meer efficiëntie wordt geleverd door microschakelingen met het achtervoegsel FB, waarbij de meetfrequentie wordt verlaagd tot 5 Hz, waardoor het mogelijk is om de gemiddelde verbruiksstroom op het niveau van 0,54 ... 1,6 μA te brengen.
Het blokschema van de DRV5012-microschakelingen (Figuur 10) en hun technische kenmerken (Tabel 2) zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de DRV5032. Naast de bovenstaande methode om het uitgangssignaal te genereren, is er nog een: onderscheidend kenmerk DRV5012 is de mogelijkheid om de meetsnelheid te regelen met behulp van de SEL-pin. Als er een laag niveau is op deze ingang, zal de microschakeling de magnetische veldsterkte 20 keer per seconde meten, en wanneer een logische eenheid wordt ingesteld, neemt de meetfrequentie toe tot 2,5 kHz. Hierdoor kunnen deze apparaten worden gebruikt in toepassingen met zowel langzame als snelle processen, evenals om het stroomverbruik van het systeem in verschillende modi werk.
Tabel 2. Technische kenmerken van de DRV5012-microschakeling
| Opties | ||
|---|---|---|
| Gevoeligheid, mT | 2 | |
| Uitgangstype: | Tweetakt | |
| Voedingsspanning, V | 1,65…5,5 | |
| Maximale stroom in actieve modus, typ., mA | 2 | |
| Duur actieve modus, typ., s | 55 | |
| Meetduur, typ., Μs | 40 | |
| Werktemperatuur, ° С | -40…85 | |
| Kader | X2SON | |
| Bemonsteringsfrequentie, typ., Hz | 20 | 2500 |
| Gemiddeld stroomverbruik bij voedingsspanning 1,8 ... 5,0 V, typ., ΜA | 1,3…2,0 | 142…160 |
Low Power Hall-effectsensoren van Honeywell
Het assortiment van een van oudste fabrikanten Zaalsensoren - bedrijven Honeywell- er zijn ook twee modellen van positiesensoren met laag vermogen die alleen verschillen in gevoeligheid.
Het structurele diagram (Figuur 11), technische kenmerken (Tabel 3) en het werkingsprincipe van de SM351 en SM353 microschakelingen zijn in veel opzichten gelijk aan de DRV5032 microschakelingen vervaardigd door Texas Instruments hierboven besproken. Om het stroomverbruik te verminderen, worden de analoge nodes alleen gevoed tijdens metingen, waarvan de duur 15 s is. Vermogensschakeling wordt uitgevoerd met behulp van een transistorschakelaar die wordt bestuurd door een timer met een klokgenerator, teller, decoder en andere noodzakelijke componenten... De gemiddelde frequentie van metingen van de magnetische veldsterkte is 10 Hz. Met een voedingsspanning van 1,8 V maakt deze bedrijfsmodus met een typische stroomwaarde in de meetmodus van ongeveer 1 mA het mogelijk om de gemiddelde stroom van de microschakeling te verlagen tot een niveau van niet meer dan 0,4 A.
Microschakelingen SM351 en SM353 zijn ongevoelig voor de polariteit van een extern magnetisch veld en hebben push-pull-uitgangen waarmee ze kunnen worden aangesloten op een microcontroller zonder gebruik te maken van externe pull-up-weerstanden. Beide apparaten zijn verkrijgbaar in compacte SOT-23-behuizingen en kunnen werken in een breed scala aan voedingsspanningen (1,65 ... 5,5 V) en temperaturen (-40 ... 85 ° C), waardoor ze kunnen worden gebruikt in auto- en industriële elektronica in combinatie met de meest populaire microcontrollers.
Tabel 3. Technische kenmerken van Hall-sensoren vervaardigd door Honeywell bij een voedingsspanning van 1,8 V
| Opties | Naam | |
|---|---|---|
| SM351 | SM353 | |
| Uitgangstype: | Tweetakt | |
| Voedingsspanning, V | 1,65…5,5 | |
| Duur actieve modus, typ., s | 15 | |
| Werktemperatuur, ° С | -40…85 | |
| Kader | SOT-23 | |
| Bemonsteringsfrequentie, typ., Hz | 10 | |
| Gevoeligheid, mT | 0,7 | 1,4 |
| Maximale actieve stroom, typ., MA | 1 | 0,8 |
| Gemiddeld verbruikte stroom, μA | 0,36 | 0,31 |
In tegenstelling tot de producten van Texas Instruments, vereisen Honeywell-sensoren een andere oriëntatie van het magnetische veld. Voor een juiste werking moeten de externe magneten met hun polen op het eindoppervlak van de microschakelingen worden gericht (Figuur 12), terwijl voor Texas Instruments-sensoren een dergelijke opstelling van magneten in de "blinde" zone valt.
Onderzoek naar Hall-sensorkenmerken:
Om de werkelijke prestaties van de Hall-sensoren met laag vermogen te verifiëren, hebben we de SM351LT- en SM353LT-microschakelingen vergeleken. Honeywell en DRV5032FA en DRV5032FB van Texas Instruments. Deze apparaten hebben dezelfde functioneel doel, behuizing en type uitgangen en verschillen alleen in gevoeligheid, reactiesnelheid en stroomverbruik. Tijdens de voorbereiding van het artikel werd een studie uitgevoerd van vijf monsters van microschakelingen van elk model.
De lay-out en het uiterlijk van de meetopstelling zijn weergegeven in Figuur 13. Elke sensor is gemonteerd op een aparte broodplankje met een keramische condensator C2, ontworpen om voorbijgaande processen in het stroomcircuit te elimineren, en een weerstand R3, waarmee u de vorm van de verbruikte stroom kunt regelen met behulp van een oscilloscoop. Bij metingen die geen verband houden met de besturing van timingdiagrammen, wordt de weerstand R3 gesloten door een externe draadbrug.
De PV1-multimeter is ontworpen om de gemiddelde stroom in de stroomcircuits van microcircuits te meten. Het meet de spanningsval over de weerstand R1, waarvan de weerstand zo is gekozen dat bij een stroom van 1 mA het potentiaalverschil erover 200 mV is. Hierdoor kan bij de meest gevoelige limiet van de multimeter 200 mV stroom meten in het bereik van 0 ... 1 mA met een resolutie van 0,005 μA, wat voldoende is voor onderzoek.
De elektrolytische condensator C1 is ontworpen om een mogelijke spanningsval tijdens metingen uit te sluiten als gevolg van een toename van de interne weerstand van de voeding na toevoeging van een weerstand R1. Elementen R1 en C1 vormen een filter lage frequenties met een tijdconstante van 0,2 s, wat veel langer is dan de meetduur (15 s voor de SM351LT en SM353LT, 40 μs voor de DRV5032FA en DRV5032FB).
De activering van de sensor wordt bestuurd door de VD1-LED, waarvan de stroom wordt beperkt door de R2-weerstand. Om de invloed van de belasting van de microschakeling op de hoeveelheid stroom die erdoor wordt verbruikt, te elimineren, is de LED met een aparte draad verbonden met de positieve pool van de voeding, waarbij het R1C1-filter wordt omzeild.
Het circuit wordt gevoed vanuit een instelbare constante stroombron met regeling van de uitgangsspanning. Aangezien de voedingsspanning vóór het R1C1-filter wordt gemeten, zal de werkelijke waarde op de pinnen van de microschakeling kleiner zijn dan de hoeveelheid spanningsval over de weerstand R1, die 60 mV kan bereiken bij een voedingsspanning van 5 V. bezit, zij het hoge, maar nog steeds zou een eindige interne weerstand, rechtstreeks naar de voedingsklemmen van de microschakelingen, leiden tot het verschijnen van een extra fout in de huidige metingen.
De resultaten van metingen van de verbruikte stroom worden weergegeven in Tabel 4. Zoals blijkt uit de verkregen gegevens, hebben alle onderzochte sensoren een goede herhaalbaarheid van parameters en komen de verkregen waarden overeen met de typische waarden die zijn gespecificeerd in technische documentatie.
Analyse van de afhankelijkheid van de gemiddelde waarden van de verbruikte stroom van de voedingsspanning (Figuur 14), kan worden gezien dat het stroomverbruik van apparaten vervaardigd door Texas Instruments minder afhankelijk is van deze parameter dan Honeywell-sensoren. Tegelijkertijd zijn Honeywell-chips bij voedingsspanningen van minder dan 4 V zuiniger dan producten van Texas Instruments.
De grafieken in figuur 14 laten ook duidelijk de invloed van de meetfrequentie op het stroomverbruik zien. De stroom die wordt verbruikt door de DRV5032FA-microschakeling met een frequentie van 20 Hz, in het hele bereik van voedingsspanningen, is bijna het dubbele van de stroom van de DRV5032FB-microschakeling met een frequentie van 5 Hz. Aangenomen mag worden dat de DRV5032FB voor deze technologie het laagst mogelijke stroomverbruik heeft en een verdere verlaging van de meetfrequentie tot nul zal geen significant effect meer hebben op het stroomverbruik.
Tabel 4. De resultaten van metingen van de verbruikte stroom bij een temperatuur van 27 ° С
| Naam | Steekproef | Voedingsspanning, V | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,8 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,3 | 3,6 | 4,0 | 4,5 | 5,0 | 5,5 | ||
| SM351LT | 1 | 0,43 | 0,54 | 0,75 | 1,06 | 1,26 | 1,42 | 1,74 | 2,20 | 2,76 | 3,08 |
| 2 | 0,44 | 0,51 | 0,73 | 1,00 | 1,20 | 1,40 | 1,75 | 2,15 | 2,60 | 3,00 | |
| 3 | 0,46 | 0,54 | 0,76 | 1,04 | 1,26 | 1,43 | 1,76 | 2,19 | 2,63 | 3,19 | |
| 4 | 0,45 | 0,50 | 0,74 | 1,05 | 1,25 | 1,52 | 1,81 | 2,18 | 2,68 | 3,15 | |
| 5 | 0,45 | 0,52 | 0,72 | 1,03 | 1,25 | 1,45 | 1,73 | 2,17 | 2,76 | 3,14 | |
| Gemeen | 0,45 | 0,52 | 0,74 | 1,04 | 1,24 | 1,44 | 1,76 | 2,18 | 2,69 | 3,11 | |
| SM353LT | 1 | 0,39 | 0,45 | 0,65 | 0,92 | 1,09 | 1,28 | 1,60 | 1,99 | 2,47 | 2,81 |
| 2 | 0,39 | 0,43 | 0,65 | 0,90 | 1,08 | 1,27 | 1,53 | 2,00 | 2,38 | 2,84 | |
| 3 | 0,37 | 0,47 | 0,68 | 0,92 | 1,07 | 1,27 | 1,61 | 1,95 | 2,50 | 2,90 | |
| 4 | 0,44 | 0,48 | 0,69 | 0,92 | 1,09 | 1,29 | 1,62 | 1,93 | 2,50 | 2,91 | |
| 5 | 0,40 | 0,47 | 0,67 | 0,93 | 1,12 | 1,32 | 1,60 | 2,01 | 2,41 | 2,93 | |
| Gemeen | 0,40 | 0,46 | 0,67 | 0,92 | 1,09 | 1,27 | 1,59 | 1,98 | 2,45 | 2,88 | |
| DRV5032FA | 1 | 1,10 | 1,18 | 1,41 | 1,51 | 1,58 | 1,64 | 1,72 | 1,80 | 1,95 | 2,10 |
| 2 | 1,14 | 1,20 | 1,45 | 1,53 | 1,60 | 1,67 | 1,73 | 1,83 | 1,95 | 2,03 | |
| 3 | 1,12 | 1,21 | 1,51 | 1,59 | 1,65 | 1,70 | 1,79 | 1,85 | 2,00 | 2,20 | |
| 4 | 1,11 | 1,23 | 1,46 | 1,54 | 1,59 | 1,64 | 1,73 | 1,80 | 1,90 | 2,06 | |
| 5 | 1,07 | 1,14 | 1,39 | 1,48 | 1,52 | 1,60 | 1,67 | 1,75 | 1,86 | 2,05 | |
| Gemeen | 1,11 | 1,19 | 1,44 | 1,53 | 1,59 | 1,65 | 1,73 | 1,81 | 1,93 | 2,09 | |
| DRV5032FB | 1 | 0,49 | 0,50 | 0,61 | 0,66 | 0,71 | 0,75 | 0,79 | 0,88 | 1,01 | 1,13 |
| 2 | 0,49 | 0,50 | 0,59 | 0,64 | 0,70 | 0,75 | 0,78 | 0,88 | 1,00 | 1,15 | |
| 3 | 0,50 | 0,53 | 0,62 | 0,66 | 0,71 | 0,76 | 0,83 | 0,90 | 1,02 | 1,16 | |
| 4 | 0,48 | 0,51 | 0,60 | 0,63 | 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,86 | 1,00 | 1,15 | |
| 5 | 0,49 | 0,52 | 0,61 | 0,65 | 0,70 | 0,75 | 0,81 | 0,91 | 1,03 | 1,17 | |
| Gemeen | 0,49 | 0,51 | 0,61 | 0,65 | 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,89 | 1,00 | 1,15 | |
De vorm van de stroom die door de microschakelingen wordt verbruikt, kan worden gezien door de jumper te verwijderen en de oscilloscoop aan te sluiten op weerstand R3. De meetresultaten (Figuur 15) bevestigen dat het een uitgesproken impulskarakter heeft en verschillende ordes van grootte verschilt in actieve en slaapmodus.
Een ander belangrijk kenmerk Hall-sensoren is de gevoeligheid die de kenmerken bepaalt praktische toepassing, evenals vereisten voor de kenmerken en locatie van magnetische veldbronnen. De technische documentatie voor microschakelingen geeft de grootte van de inductie aan op het punt dat overeenkomt met de locatie van de behuizing van het apparaat. De magnetische veldsterkte wordt echter aanzienlijk beïnvloed door de afstand, daarom zal de sensor bij gebruik van echte magneten op een bepaalde afstand werken, afhankelijk van hun geometrische afmetingen en resterende inductie.
TI-documentatie of informatiemateriaal gewijd aan Hall-sensoren. Voor permanente magneten met een rechthoekige vorm kan de inductie op afstand D van de oppervlakken van de magneetpolen worden bepaald met formule 2:
$$ \ vec (B) = \ frac (B_ (r)) (\ pi) \ times \ left (\ arg \ tan \ left (\ frac (WL) (2D \ times \ sqrt (4D ^ (2) + W ^ (2) + L ^ (2))) \ rechts) - \ arg \ tan \ links (\ frac (WL) (2 (D + T) \ times \ sqrt (4 (D + T) ^ (2 ) + W ^ (2) + L ^ (2))) \ rechts) \ rechts) \ Qquad (\ mathrm (()) (2) (\ mathrm ())) $$
En voor cilindrisch - volgens formule 3:
$$ \ vec (B) = \ frac (B_ (r)) (2) \ times \ left (\ frac (D + T) (\ sqrt ((0.5C) ^ (2) + (D + T) ^ (2))) - \ frac (D) (\ sqrt ((0.5C) ^ (2) + D ^ (2))) \ rechts), \ qquad (\ mathrm (()) (3) (\ mathrm ())) $$
waarbij W de breedte is, L de lengte, T de dikte, C de diameter, Br de inductie van de magneet (Figuur 16).
U kunt hiervoor ook de online calculator gebruiken die beschikbaar is op de website van Texas Instruments. Het voordeel van de laatste optie is de mogelijkheid om snel de afstand te bepalen waarop een bepaald apparaat wordt geactiveerd. Door bijvoorbeeld de parameters van een permanente magneet in te voeren op de pagina gewijd aan DRV5032-sensoren, kunt u onmiddellijk zowel de grootte van de inductie op het gewenste punt bepalen als de afstand waarop alle versies van de microschakelingen van dit model zullen werken (Figuur 17).
Het was deze rekenmachine die werd gebruikt om de inductie te bepalen die werd gecreëerd door de cilindrische permanente magneet die werd gebruikt in metingen gemaakt van materiaal N38 8 x 8 mm (Figuur 17).
De resultaten van het meten van de gevoeligheid van de sensoren worden weergegeven in Tabel 5. Volgens de verkregen gegevens werden bij gebruik van de bovenstaande magneet de sensoren van Texas Instruments geactiveerd op een gemiddelde afstand van 24 mm, wat overeenkomt met een inductie van 3,6 mT, en herstelde de begintoestand op een gemiddelde afstand van 33 ... 34 mm (bij een inductie van 1,45 ... 1,48 mT). Tijdens het onderzoek bewoog de magneet langs een as die loodrecht staat op het bovenste vlak van de microschakeling en door het midden ervan ging (Figuur 9). Volgens de technische documentatie moeten de overeenkomstige kenmerken van deze apparaten in het bereik van 1,5 ... 4,8 mT (aansturing) en 0,5 ... 3,0 mT (herstel) liggen over het gehele bereik van voedingsspanningen. Alle monsters van DRV5032FA- en DRV5032FB-microschakelingen voldoen dus volledig aan de aangegeven kenmerken.
Bij het onderzoeken van Honeywell-sensoren is de magneet verplaatst volgens de aanbevelingen van de fabrikant (Afbeelding 12). De SM351LT-sensoren werden geactiveerd op een gemiddelde afstand tussen de magneet en de microschakeling gelijk aan 36 mm, wat overeenkomt met een inductie van 1,25 mT, en herstelden hun werk op een gemiddelde afstand van 39 mm, wat overeenkomt met een inductie van 1,0 mT. Volgens de technische documentatie moet voor SM351LT-microschakelingen de trigger-inductie in het bereik van 3 ... 11 Gs (0,3 ... 1,1 mT) liggen en vrijgeven - ten minste 2 G (0,2 mT), en maximale waarde deze waarde is niet gestandaardiseerd. Zoals uit de onderzoeksresultaten blijkt, bleek de werkelijke gevoeligheid van de SM351LT-sensoren iets lager dan de waarden die in de technische documentatie worden vermeld, in tegenstelling tot de SM353LT-microschakelingen, die op een gemiddelde inductie van 1,86 mT werkten ( gemiddelde afstand 31 mm), die in het toegestane bereik van 6 ... 20 Gs (0,6 ... 2,0 mT) ligt.
Conclusie
Beveiligingssystemen, energiemeters, medische apparatuur, IoT-apparaten - dit is geen volledige lijst van toepassingen waarin Hall-sensoren die in dit artikel worden besproken, kunnen worden gebruikt. De belangrijkste kenmerken van alle technologie waarin deze microschakelingen kunnen worden gebruikt, zijn compactheid en strenge eisen aan het energieverbruik, omdat ze voor deze doeleinden zijn ontworpen.
Ondanks het feit dat de overwogen apparaten door verschillende fabrikanten worden geproduceerd, vullen ze elkaar in hun kenmerken aan en bieden ze een geïntegreerd hardwareplatform op basis waarvan ontwikkelaars veel praktische problemen kunnen oplossen.
