Измерение и контроль протекающего тока являются принципиальным требованием для широкого круга приложений, включая схемы защиты от перегрузки по току, зарядные устройства, импульсные источники питания, программируемые источники тока и пр. Один из простейших методов измерения тока -использование резистора с малым сопротивлением, - шунта между нагрузкой и общим проводом, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току. Несмотря на то, что данный метод очень прост в реализации, точность измерений оставляет желать лучшего, т.к. сопротивление шунта зависит от температуры, которая не является постоянной. Кроме того, такой метод не позволяет организовать гальваническую развязку между нагрузкой и измерителем тока, что очень важно в приложениях, где нагрузка питается высоким напряжением.

Основные недостатки измерения тока с помощью резистивного шунта:

• нагрузка не имеет прямой связи с «землей»;
• нелинейность измерений, обусловленная температурным дрейфом сопротивления резистора;
• отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и схемой измерения.

В статье мы рассмотрим экономичный и прецизионный интегральный датчик тока ACS712 , принцип его работы, основанный на эффекте Холла, характеристики и способ подключения к микроконтроллеру для измерения постоянного тока. Статья разделена на две части: первая посвящена устройству и характеристикам датчика, вторая - интерфейсу с микроконтроллером и работе с датчиком.

Датчик тока ACS712 основан на принципе, открытом в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin Hall), и названным его именем. Эффект Холла состоит в следующем: если проводник с током помещен в магнитное поле, то на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно, как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля. Эффект иллюстрируется Рисунком 2. Через тонкую пластину полупроводникового материала, называемую элементом Холла, протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца, искривляющая траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объемных зарядов в элементе Холла. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает ЭДС, называемая ЭДС Холла. Эта ЭДС пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока I и имеет типовое значение порядка нескольких микровольт.

Микросхема ACS712 выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (Рисунок 3). Она состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока (Рисунок 4). Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.

На Рисунке 5 показано расположение выводов ACS712 и типовая схема его включения. Выводы 1, 2 и 3,4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет очень малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы прибор выдерживал силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 - 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ с.к.з.

В низкочастотных приложениях часто требуется включить на выходе устройства простой RC фильтр, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. ACS712 содержит внутренний резистор R F , соединяющий выход встроенного усилителя сигнала со входом выходной буферной схемы (см. Рисунок 6). Один из выводов резистора доступен на выводе 6 микросхемы, к которому подключается внешний конденсатор C F . Следует отметить, что использование конденсатора фильтра приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и, следовательно, ограничивает полосу пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости C F полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровеня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор C F емкостью 1 нФ.

Чувствительность и выходное напряжение ACS712

Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4). Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:

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

Соответствующие уровни чувствительности составляют 185 мВ/А, 100 мА/В и 66 мВ/A. При нулевом токе, протекающем через датчик, выходное напряжение равно половине напряжения питания (Vcc/2). Необходимо заметить, что выходное напряжение при нулевом токе и чувствительность ACS712 пропорциональны напряжению питания. Это особенно полезно при использовании датчика совместно с АЦП.

Точность любого АЦП зависит от стабильности источника опорного напряжения. В большинстве схем на микроконтроллерах в качестве опорного используется напряжение питания. Поэтому при нестабильном напряжении питания измерения не могут быть точными. Однако если опорным напряжением АЦП сделать напряжение питания датчика ACS712, его выходное напряжение будет компенсировать любые ошибки аналого-цифрового преобразования, обусловленные флуктуациями опорного напряжения.

Рассмотрим эту ситуацию на конкретном примере. Допустим, что для опорного напряжения АЦП и питания датчика ACS712 используется общий источник Vcc = 5.0 В. При нулевом токе через датчик его выходное напряжение составит Vcc/2 = 2.5 В. Если АЦП 10-разрядный (0…1023), то преобразованному выходному напряжению датчика будет соответствовать число 512. Теперь предположим, что вследствие дрейфа напряжение источника питания установилось на уровне 4.5 В. Соответственно, на выходе датчика будет 4.5 В/2 = 2.25 В, но результатом преобразования, все равно, будет число 512, так как опорное напряжение АЦП тоже снизилось до 4.5 В. Точно также, и чувствительность датчика снизится в 4.5/5 = 0.9 раз, составив 166.5 мВ/А вместо 185 мВ/А. Как видите, любые колебания опорного напряжения не будут источником ошибок при аналого-цифровом преобразовании выходного напряжения датчика ACS712.

На Рисунке 7 представлены номинальные передаточные характеристики датчика ACS712-05B при напряжении питания 5.0 В. Дрейф выходного напряжения в рабочем диапазоне температур минимален благодаря инновационной технологии стабилизации.

Для правильной, надежной и безотказной работы современных изделий силовой и не очень электроники очень важно правильно определять величины и формы как напряжений, так токов, действующих в устройстве. От выбора такого, казалось бы, простого элемента, как измеритель электротока или напряжения, может зависеть и судьба проекта, и финансовые успехи или неудачи при эксплуатации, и даже жизни людей. Одним из самых подходящих для таких измерений (в дальнейшем, мы будем стараться использовать термин «преобразование», так как ООО «Лаборатория ДТиН» поддерживает мнение, что датчики по определению не являются измерительными приборами) вариантом являются измерители, работа которых основана на эффекте Холла. Преимуществом этих преобразователей являются отсутствие потерь энергии в контролируемой цепи, гальваническая развязка между входной и выходной цепями, быстродействие, способность работать в широком диапазоне температур и питающих напряжений, возможность непосредственного сопряжения с различными устройствами контроля и управления.

Точность измерителей электротока на эффекте Холла находится в пределах от 0.2 до 2 процентов и зависит, прежде всего, от примененной в конструкции прибора схемотехники. Они широко применяются в различных электроустановках, как правило, в цепях защиты, контроля и управления, но, например, в силу ряда ограничений практически никогда не применяются для коммерческого учета электроэнергии. Подобные преобразователи электрических сигналов можно найти и в современном сварочном аппарате, и в системе управления лифтом, и в автомобиле, работа железнодорожного транспорта немыслима ныне без этих устройств. Приборы, работающие на эффекте Холла, могут преобразовывать как переменный, так и постоянный электроток. Несмотря на то, что часто их называют «трансформатором тока», этот факт является их главным отличием и преимуществом.

Эффект Холла был обнаружен более 130 лет назад, американским ученым Эдвином Холлом, в ходе экспериментов с магнитными полями. С тех пор этот эффект описан многократно в самой разнообразной литературе. Основан он на появлении поперечной разности электрических потенциалов у проводника с постоянным током, находящегося в магнитном поле.

На что нужно обратить внимание при выборе прибора для измерений показателей

1. Напряжение питания. Для промышленных измерительных приборов используется, как двуполярное (±12В, ±15В, ±18В, ±24В.), так и однополярное (+5, 12, 24 В.) питание. Выбор его зависит как от возможностей и потребностей разработчика, так и от условий сопряжения с блоками контроля и управления.
2. Точность преобразования. Как мы уже упоминали, существующие измерители, работающие на эффекте Эдвина Холла обладают точностью от 0.2 до 2 процентов при этом этот параметр, как правило, определяется тем, как построен сам измеритель — по схеме прямого усиления или компенсационной, со 100% обратной связью. Как и в большинстве случаев, более точный измерительный прибор компенсационного типа на один и тот же номинальный электрический ток стоит дороже своего собрата, собранного по схеме прямого усиления, как правило, имеет большие габариты и однозначно большее потребление электротока от источника питания. Плюсами его будут не только большая точность, которую мы уже упоминали, но лучшие линейность и помехозащищенность.
3. Диапазон преобразования. Такие конструкции способны преобразовывать входной сигнал в пропорциональный выходной или соответствующий цифровой сигнал силой тока от нескольких сот миллиампер до нескольких тысяч Ампер. Разумеется, подобный механизм на 10кА и больше, дороже своего собрата на 25А
4. Корпус. Данные агрегаты могут иметь различные типы корпусов. Существуют варианты для установки на печатную плату, шасси или ДИН-рейку.
5. Температура, при которой данные модули способны исправно работать. Так, пониженная рабочая температура для измерительных приборов, работающих с током и напряжением, как правило, −40 C, но существуют изделия, сохраняющие работоспособность и при −50, и даже −55C. Повышенная рабочая температура для большинства современных изделий достигает +85C, существуют образцы, работающие и при +105C.

Классификация преобразователей по принципу построения.

1. Преобразователь прямого усиления. Достоинства — компактные размеры, небольшое энергопотребление, возможность работать с электросигналами от единиц ампер до десятков килоампер, невысокая цена. Применяются для работы с сигналами в диапазоне частот от постоянного тока до 25, реже 50 кГц. Ошибка преобразования и нелинейность в пределах единиц процентов. Этот вид изделий имеет высокую перегрузочную способность, относительно недороги и компактны.
2. Измерители со 100% обратной связью, так же известные как «компенсационные», или «датчики с нулевым магнитным потоком». Как видно из названия, главным отличительным признаком его является наличие контура, замкнутого по магнитному потоку. Применяются такие устройства для преобразования первичного сигнал от сотен миллиампер до десятков килоампер, любой формы и частоты, начиная от постоянного тока и заканчивая на уровне 100-150-200 кГц. Компенсационные преобразователи данных сигналов отличаются лучшими точностью, линейностью, устойчивостью к внешним магнитным полям. Диапазон преобразования у этих инструментов ниже, чем у конструкций прямого усиления
3. Датчик напряжения. Разновидность компенсационного устройства прибора преобразователя электросигналов, отличающаяся наличием встроенной первичной обмотки с большим количеством витков. Измерение напряжения происходит путем преобразования небольшого первичного сигнала (как правило, при номинальном напряжении его значение 5 или 10 мА, выбор зависит от разработчика), задаваемого включенным последовательно с первичной катушкой резистором, в пропорциональный выходной сигнал. Данные аппараты отличаются достаточно широким диапазоном входных напряжений, но имеют ограничения по частоте входного сигнала, так как первичная обмотка обладает существенной индуктивностью.
4. Относительно новый тип преобразователя — интегральный, является развитием схемы прямого усиления. Достоинство — малые габариты, невысокая цена. За время с момента появления в 1879 году и до сегодняшнего дня аппараты, работающие на эффекте, открытом Эдвином Холлом изменились очень и очень заметно. Увеличились точность, надежность, существенно улучшилась температурная стабильность, неуклонно уменьшаются габариты и цены этих механизмов. Все эти улучшения стали возможны как в результате развития технологий в производстве электронных компонентов, так и в результате новых требований, предъявляемых к этому классу изделий. Все большее и большее применение находится им в современной жизни, насыщенной электронными и электрическими устройствами.

Современная промышленность выдвигает особые требования к надежности и стабильности работы преобразователей электрических данных, применяемых для контроля работы и управления сложнейшими системами. Это вынуждает продолжать совершенствовать конструкцию приборов, улучшая их технические характеристики, делая более и более надежными, простыми и удобными в применении.

Как правило, начинающий разработчик впадает в крайности, закладывает точность не хуже 0.1%, и частотную характеристику от 100кГц и потом долго удивляется тому, что предложенное ему решение стоит денег, сопоставимых с ценой половины, а то и всей его разработки. В большинстве современных применений за счет улучшения параметров силовых полупроводников точности в 1-2% оказывается более чем достаточно, и ключевым фактором в выборе преобразователей становится надежность и стабильность работы, но эти вопросы не связаны напрямую со схемотехникой и достойны отдельного рассмотрения.

Эффект Холла был открыт в 1879 г. американским ученым Эдвином Гербертом Холлом. Его сущность состоит в следующем (см. рисунок). Если через проводящую пластинку пропускать ток, а перпендикулярно пластинке направить магнитное поле, то в направлении поперечном току (и направлению магнитного поля) на пластинке появится напряжение: Uh = (RhHlsinw)/d, где Rh - коэффициент Холла, зависящий от материала проводника; Н - напряженность магнитного поля; I - ток в проводнике; w - угол между направлением тока и вектором индукции магнитного поля (если w = 90°, sinw = 1); d - толщина материала.

Благодаря тому, что выходной эффект определяется произведением двух величин (Н и I), датчики Холла имеют весьма широкое применение. В таблице приведены коэффициенты Холла для различных металлов и сплавов. Обозначения: Т - температура; В - магнитный поток; Rh - коэффициент Холла в единицах м3 /Кл.

Бесконтактные клавишные переключатели на основе эффекта Холла применялись за рубежом довольно широко уже с начала 70-х годов. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии и сравнительно высокая стоимость.

Принцип действия генератора Холла

Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила. Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран. Когда в зазоре нет экрана, то на пластинку полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.

Об эффекте Холла написано много, этот эффект интенсивно используется в технике, но ученые продолжают его исследовать. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон Клитцунг изучал работу эффекта Холла при сверхнизких температурах. В тонкой пластинке полупроводника фон Клитцунг плавно изменял напряженность магнитного поля и обнаружил, что сопротивление Холла изменяется не плавно, а скачками. Величина скачка не зависила от свойств материала, а являлась комбинацией фундаментальных физических констант, деленной на постоянное число. Получалось, что законы квантовой механики каким-то образом изменяли природу эффекта Холла. Это явление было названо интегральным квантовым эффектом Холла. За это открытие фон Клитцунг получил Нобелевскую премию по физике в 1985 г.

Два года спустя после открытия фон Клитцунга в лаборатории компании Bell Telephone (той самой, в которой был открыт транзистор) сотрудники Стормер и Тсуи изучали квантовый эффект Холла, используя исключительно чистый образец арсенида галлия большого размера, изготовленный в этой же лаборатории. Образец имел настолько высокую степень чистоты, что электроны проходили его из конца в конец, не встречая препятствий. Эксперимент Стормера и Тсуи проходил при гораздо более низкой температуре (почти абсолютный нуль) и с более мощными магнитными полями, чем в эксперименте фон Клитцунга (в миллион раз больше, чем ).

К своему большому удивлению Стормер и Тсуи обнаружили скачок в сопротивлении Холла в три раза больший, чем у фон Клитцунга. Затем они обнаружили еще большие скачки. Получалась та же комбинация физических постоянных, но деленная не на целое, а на дробное число. Заряд электрона у физиков считается константой, не делимой на части. А в этом эксперименте как бы участвовали частицы с дробными зарядами. Эффект был назван дробным квантовым эффектом Холла.

Год спустя после этого открытия сотрудник лаборатории Ла-флин дал теоретическое объяснение эффекта. Он заявил, что комбинация сверхнизкой температуры и мощного магнитного поля заставляет электроны образовывать несжимаемую квантовую жидкость. Но рисунке с помощью компьютерной графики показан поток электронов (шары), протыкающих плоскость. Неровности плоскости представляют распределение заряда одного из электронов в присутствии магнитного поля и заряда других электронов. Если электрон добавляется к квантовой жидкости, то образуется некоторое количество квазичастиц с дробным зарядом (на рисунке это показано как набор стрелок у каждого электрона).
В 1998 г. Хорст Стормер, Даниэль Тсуи и Роберт Лафлин были удостоены Нобелевской премии по физике. В настоящее время Х.Стормер - профессор физики Колумбийского университета, Д.Тсуи - профессор Принстонского университета, Р.Лафлин - профессор Стенфордского университета.

Датчик тока на элементе Холла

Функциональная схема датчика тока компенсационного типа приведена на рис. 1 Чувствительный к магнитному полю элемент Холла находится в зазоре кольцевого магнитопровода.

Измеряемый ток Iизм, протекая по обмотке I. создает в магнитопроводе магнитный поток, наводящий в чувствительном элементе Холла ЭДС пропорциональную этому току. Снятый с элемента сигнал после усиления поступает на компенсационную обмотку II Протекающий по ней ток Iк создает в магнитопроводе магнитный поток противоположного направления. Магнитная система, элемент Холла и усилитель образуют петлю отрицательной обратной связи, поддерживающую равенство

где W1 и W|| - число витков обмоток I и II Включенный последовательно с обмоткой II резистор R1 преобразует компенсирующий ток в выходное напряжение датчика. Если выбрать сопротивление этого резистора в омах численно равным отношению числа витков обмотки II

к числу витков обмотки I то выходное напряжение в вольтах станет численно равным измеряемому току в амперах

Габаритный чертеж использованного в датчике элемента Холла ДХК-0.5А изображен на рис. 2 Напряжение Холла, пропорциональное управляющему току и индукции магнитного поля, измеряют между выводами +U и -U. Чувствительность элемента при номинальном значении управляющего тока 3 мА (втекающего в вывод +I и вытекающего из вывода -I) - 280 мВ/Тл. Указанные полярность напряжения и направление тока соответствуют вектору магнитной индукции В, направленному, как показано на рис. 2 стрелкой. Остаточное выходное напряжение (в отсутствие магнитного поля) не превышает 7 мВ Входное сопротивление (между выводами I) - 1,8...3 кОм, выходное (между выводами U) - не более 3 кОм.

Если имеется элемент Холла неизвестной чувствительности, ее можно определить экспериментально, поместив элемент в воздушный зазор длиной d любого магнитопровода на котором намотано известное число витков W любого провода К "токовым" выводам элемента подключают источник управляющего тока, а к двум другим - милливольтметр. По обмотке пропускают постоянный ток I. Чувствительность (мВ/Тл) - частное от деления показаний милливольтметра на магнитную индукцию, вычисленную по формуле

Схема датчика тока показана на рис. 3 Магнитная система изображена на ней как трансформатор Т1, в зазор магнитопровода которого вставлен элемент Холла В1. Усилитель собран на ОУ DA1 и транзисторах VT2, VT3. Стабилизатор тока на транзисторе VT1 задает протекающий через элемент Холла управляющий ток.

Для питания датчика необходим биполярныи источник постоянного напряжения +/-15 В Основной потребитель его энергии - обмотка II трансформатора Т1. В описываемой конструкции обмотки намотаны на ферри-товом кольце от блока питания компьютера. Обмотка II - 1000 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0.15 мм Поверх нее намотана обмотка 1 - 10 витков изолированного монтажного провода сечением 0,35 мм2. В кольце сделан воздушный зазор длиной 2 мм - она равна толщине вклеиваемого в зазор элемента Холла

Необходимо отметить что магнито-провод не обязательно должен быть ферритовым, он может быть изготовлен из любого ферромагнитного материала Оптимальная площадь сечения магнитопровода - 10...12 мм2. Стремиться к увеличению сечения не следует Это приведет к возрастанию длины витков компенсационной обмотки и, следоватепьно. ее сопротивления По этой же причине для компенсирующей обмотки следует выбирать провод возможно большего диаметра.

Изготовленный датчик изображен на рис. 4, а его передаточная характеристика - на рис. 5 Она была снята при измерении синусоидального тока частотой 50 Гц. По осям графика отложены эффективные значения тока и напряжения В приборе отсутствовал резистор R4. что обеспечило коэффициент преобразования тока в напряжение 1 В/А, постоянный в интервале значений измеряемого тока 0,25...6 А.

Нарушение линейности характеристики при малом токе объясняется тем, что усилитель мощности на транзисторах VT2 и VT3 работает в классе В без начального смещения. Причина нелинейности при больших значениях тока - ограничение сигнала в ОУ К140УД7, в результате чего форма компенсирующего тока уже не совпадает с формой измеряемого и полноценной компенсации магнитных потоков в магнитопрово-де не происходит.

Установив параллельно резистору R3 такой же резистор R4, удалось сделать характеристику линейной при измерении тока до 10 А. Однако коэффициент преобразования уменьшился до 0,5 В/А.