Самодельный датчик тока на эффекте холла. Преобразователи тока – верное решение. Измерение постоянного тока

Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

Области применения :

• измерение потребляемого тока в батарейном питании;
• преобразователи солнечной энергии;
• автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.

MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

Отличительные особенности:

• программируемый высокоскоростной датчик тока;
• концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
• защита от перенапряжения и переполюсовки;
• бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
• быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
• программируемый переключатель;
• выход термометра;
• ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
• 17-битный номер ID;
• диагностика неисправной дорожки;
• быстрое время отклика;
• огромная полоса пропускания DC - 90 кГц.

Как датчик работает :

MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais ® Hall . Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall ® чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall ®), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall ® может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции...). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика (<10 мкс.), в то время как выход ШИМ используется для применения там, где требуется низкая скорость при высокой надежности выходного сигнала.

Измерение небольших токов до ±2 A

Небольшие токи могут быть измерены с помощью MLX91206 за счет увеличения магнитного поля через катушку вокруг датчика. Чувствительность (выходное напряжение по сравнению с током в катушке) измерения будет зависеть от размера катушки и числа витков. Дополнительная чувствительность и снижение чувствительности к внешним полям можно получить, добавив экран вокруг катушки. Бобина обеспечивает очень высокую диэлектрическую изоляцию, делая MLX91206 подходящим решением для высоковольтных источников питания с относительными малыми токами. Выход должен быть расширен, чтобы получить максимальное напряжение для больших токов с целью получения максимальной точности и разрешения при измерениях.

Рис.1. Решение для низкого тока.

Средние токи до ±30 A

С помощью одного проводника, расположенного на печатной плате, могут быть измерены токи в диапазоне до 30 А. При трассировке печатной платы необходимо учитывать допустимый ток и общую рассеиваемую мощность дорожки. Дорожки на печатной плате должны быть достаточно толстыми и достаточно широкими, чтобы непрерывно обрабатывать средний ток. Дифференциальное выходное напряжение для этой конфигурации может быть аппроксимировано следующим уравнением:

Vout = 35 мВ/ * I

Для тока 30 А, на выходе будет примерно 1050 мВ.

Рис.2. Решение для средних величин тока.

Измерение больших токов до ±600 A

Другим методом измерения больших токов на печатных платах является использование толстых медных дорожек, способных проводить ток на противоположной стороне печатной платы. MLX91206 должны быть расположены близко к центру проводника, однако, так как проводник очень широкий, выход менее чувствителен к расположению на плате. Эта конфигурация также имеет меньшую чувствительность в зависимости от расстояния и ширины проводника.

Рис.3. Решение для больших величин тока.

О компании melexis

Созданная более десяти лет, компания Melexis разрабатывает и производит продукцию для автомобильной промышленности, предлагая множество интегральных датчиков, ASSPs и СБИС. Решения Melexis чрезвычайно надежны и отвечают высоким стандартам качества, необходимым в автомобильных применениях.

Эта конструкция родилась оттого, что в свое время я не имел доступа к тем замечательным современным микросхемам, которые были специально разработаны для считывания напряжения с токовых датчиков. Мне необходимо было создать аналог такой микросхемы, максимально простой, но не менее точный. По-моему, получившаяся схема вполне справляется со своей задачей.

Автомобильный датчик тока положительной шины питания на дискретных компонентах.

Первый усилитель тока на транзисторе Q2 имеет усиление 6.2 (Рисунок 1). На Q1 собран усилитель термокомпенсации, управляемый микросхемой IС1В и поддерживающий напряжение коллектора Q1 на постоянном уровне, независимо от температуры схемы. В качестве опорного напряжения схемы используется напряжение источника питания системы 5 В. Указанные на схеме напряжения были измерены в реальном устройстве.

Рисунок 1. Q1 и Q2 преобразуют падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 в синфазное напряжение, согласованное со входными уровнями АЦП микроконтроллеров.

IС1А усиливает разность напряжений на коллекторах транзисторов Q1 и Q2. Коэффициент усиления ОУ этого равен 4.9. R3 образован двумя резисторами для поверхностного монтажа, установленными друг на друга. При выходном напряжении 5 В максимальный ток, измеряемый схемой, равен 25 А.

Два стабилитрона защищают схему от бросков напряжения бортовой сети автомобиля. Как известно, пики напряжения в ней могут достигать 90 В. Если схема спровоцировала вас на критические замечания, подберите номиналы R6 и R7 с минимальным разбросом. Если и это сочтете недостаточным, согласуйте R1 и R4.

Я ничего такого не делал, но работа схемы меня вполне удовлетворяет. В конструкции использованы резисторы для поверхностного монтажа. За исключением R3, все имеют типоразмер 0805 и допуск 1 %.

Не забудьте подобрать для вашей печатной платы стеклотекстолит с фольгой достаточной толщины и сделать широкую токопроводящую дорожку, а для R3 предусмотреть двухпроводное подключение по схеме Кельвина. При максимальном токе 25 А эта схема нагревается очень незначительно.

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.