Датчики напряжения и тока

Сегодня направление разработки и производства отечественных датчиков переживает своё второе рождение. Это объясняется, прежде всего, тем, что нынешний уровень развития производства требует не только совершенствования технологических процессов, но и их автоматизации. Кроме того, современное предприятие сегодня немыслимо без автоматизированных систем учёта и управления производством. А поскольку базируются все процессы автоматизации на показаниях первичных датчиков, то вполне понятен интерес и повышенные требования, которые предъявляются к конструкции и характеристикам датчиков различных физических величин.

В целом продукцию датчиков можно разбить на две группы: датчики измерения тока и напряжения, датчики активной мощности. Датчики измерения тока и напряжения – это самая многочисленная группа приборов, и физические принципы, лежащие в основе этих датчиков, так или иначе повторяются во всех остальных модификациях. Любой ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг этого проводника магнитное поле. Измеряя величину и направление этого магнитного поля, можно определить величину, направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков тока, реализующих указанный принцип работы: они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи. Поэтому, даже несмотря на большую стоимость, датчики измерения тока успешно заменяют токовые шунты и трансформаторы тока.

Универсальность датчиков тока заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля, входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока. Конструктивно датчик тока представляет миниатюрный автономный модуль, электронная начинка которого питается от постоянного напряжения ± 15В. Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Выходной сигнал такого датчика строго пропорционален измеряемому току. Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков, меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса этих приборов. Диапазон измерения тока таких датчиков может составлять от десятков миллиампер и до трёх тысяч ампер. Наиболее популярными и часто используемыми являются датчики, имеющие минимальные размеры, массу и монтируемые, как правило, на печатной плате. При необходимости использования датчиков в более жёстких условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жёсткая конструкция датчика. Электрическое соединение датчика осуществляется с помощью разъёма.

Выходной сигнал стандартного датчика – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако, по требованию заказчика, электронная схема датчика легко трансформируется, и тогда датчик может измерять действующее значение тока, либо обладает стандартным токовым выходом 4-20мА (0-20мА). Это создаёт дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи. Основные преимущества таких датчиков: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые габаритно-массовые размеры и температурный дрейф характеристик. Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 и до 40мм.

Датчики измерения переменного тока можно рассматривать как частный случай универсальных датчиков. Анализ рынка показывает, что примерно в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи. Причём в большинстве случаев это токи синусоидальной формы промышленной частоты 50Гц. Именно для таких измерений разработана серия датчиков, имеющих более дешёвую электронную начинку. Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики могут работать в широком температурном диапазоне от минус 40 до плюс 80°С с минимальной температурной погрешностью, линейность амплитудно-частотной характеристики не хуже 1% в диапазоне частот от 20Гц до 10кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает, с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4-20мА (0-20мА).

Если измеряемое напряжение цепи превратить в ток (используя токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Именно этот принцип лежит в основе работы датчиков измерения напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей контроля. Датчик напряжения может монтироваться на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключается одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика. Второй винтовой вывод датчика соединяется с измерительной цепью. В ряде случаев более удобным является размещение датчика на DIN-рейке. Для этих целей существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения. Такой датчик напряжения имеет возможность непосредственного монтажа на DIN-рейке.

Датчики напряжения позволяют контролировать постоянное и переменное напряжение до 1 000В в широком температурном диапазоне. Электронная схема датчика предусматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4-20мА (0-20мА). Этот датчик предназначен для преобразования входного постоянного, импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4-20мА. А модификация этого же датчика преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4-20мА. Питание датчика осуществляется по токовой петле 4-20мА, а монтаж – на DIN-рейку.

Большое количество модификаций датчиков тока обеспечивает свободу выбора пользователям этих приборов. Однако существует целая отрасль измерений, которая принципиально не может использовать вышеописанные стационарные датчики. Это касается вопросов мониторинга токовых цепей, которые давно собраны и функционируют. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом работы не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Для таких случаев незаменимыми оказываются разъёмные датчики тока. Основой таких датчиков является разъёмный магнитопровод, позволяющий монтировать датчики непосредственно на токовой шине, без разрыва последней и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.

При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в обмотке датчика наводится ток, пропорциональный измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подаётся либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений, либо на детектор истинных среднеквадратичных значений. Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4-20мА». Разъёмные датчики тока относятся к числу последних отечественных разработок, и на сегодняшний день освоено производство только двух модификаций: для монтажа на круглой шине и измерения токов в диапазоне от 5 до 300А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза; для монтажа на плоской шине и измерения токов 1 000, 1 500 или 3 000А. Такая конструкция разъёмных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Дальше такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. В то же время существует целый ряд задач, которые требуют частых разовых измерений, причём в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. И часто качество технологического процесса зависит от точности и своевременности этих токовых измерений. Для решения таких задач разработаны электроизмерительные клещи. Токовые клещи являются автономным контрольным прибором (питание от 2-х пальчиковых батареек), предназначенным для измерения действующего значения постоянного и переменного токов без разрыва силовой цепи. Базовая модель клещей – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ. Благодаря этому клещи кроме ряда стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов) содержат ещё и ряд функций мультиметра. Они могут использоваться для измерения напряжения постоянного и переменного токов до 600В, для измерения сопротивления цепи до 2 000Ом и измерения температуры окружающей среды. Выбор пределов измерений, обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи содержат ряд сервисных функций: удержания («память») измеренного значения и энергосбережения («сон»). Малые габаритно-массовые размеры и различный диаметр отверстия под токовую шину создают дополнительные удобства для потребителей. Отечественные клещи выгодно отличает возможность работы с ними при отрицательных температурах окружающей среды до минус 20°С.

Логическим продолжением описанных выше приборов является датчик измерения мощности (ДИМ). Он предназначен для преобразования активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях переменного тока частоты 50Гц и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0-20мА или 4-20мА, гальванически изолированного от измерительных цепей. Диапазон мощностей, измеряемых ДИМ, составляет от 5 до 200кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600А. Коэффициент мощности ДИМ на частоте 50Гц составляет 0,3–1, основная приведённая погрешность ± 2%, при этом диаметр отверстия под токовую шину можно варьировать или изготовить датчик мощности под плоскую токовую шину. Питается датчик от внешнего источника питания 13,5–16,5В и выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.

Отдельного описания заслуживает датчик измерения больших токов (ДБТ). Конструктивно ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъёмный измерительный контур массой до 40кг предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400х400мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическая связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации осуществляется с помощью кабеля длиной до 5м. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220В (50Гц) ± 10%. Блок обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0-5мА. Основная приведённая погрешность датчика составляет 0,4%. Датчик ДБТ полностью сохраняет работоспособность при 1,5-кратной перегрузке измеряемого тока. Области использования ДБТ весьма специфичны: это энергоёмкие производства медеплавильной промышленности, предприятия нефтяной промышленности и электрометаллургии с высоким уровнем паразитных магнитных полей, нефтехимия и электроэнергетика. Поэтому в датчике предусмотрена специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.

Основная цель настоящей статьи заключается в том, чтобы дать разработчикам и эксплуатационникам информацию о первичных датчиках, разъяснить особенности этих приборов и помочь разобраться в их преимуществах и недостатках. Вооружённый этими знаниями потребитель сегодня решает сам: использовать импортные приборы или сделать выбор в пользу отечественного производителя.

>Digitrode

Микросхема датчика тока ACS712

Датчик тока ACS712 является продуктом Allegro MicroSystems, он может использоваться для точного измерения как переменного, так и постоянного тока. Этот датчик основан на эффекте Холла, а ИС имеет встроенное устройство с эффектом Холла. На выходе датчика тока ACS712 выдается аналоговое напряжение, пропорциональное переменному или постоянному току (в зависимости от того, что измеряется).

ACS712 доступна в 8-выводном корпусе SOIC, и на следующем рисунке показана ее схема контактов (распиновка ACS712).

IP+ – это плюсовая клемма для измерения тока, IP- – это минусовая клемма для измерения тока, GND – это сигнальная земля, FILTER – для подключения внешнего конденсатора, VIOUT – аналоговый выход, VCC – питание.

Существует три варианта датчика ACS712 в зависимости от диапазона его измерения тока. Оптимизированные диапазоны: +/- 5А, +/- 20А и +/- 30А. в зависимости от варианта чувствительность на выходе также изменяется следующим образом: ACS712 ELC-05 (+/- 5A) чувствительность 185 мВ/А, ACS712 ELC-20 (+/- 20A) чувствительность 100 мВ/А, ACS712 ELC-30 (+/- 30A) чувствительность 66 мВ/А.

Как упоминалось ранее, ASC712 основана на эффекте Холла. В микросхеме имеется медная полоса, соединяющая контакты IP+ и IP- внутри. Когда некоторый ток протекает через этот медный проводник, создается магнитное поле, которое определяется датчиком Холла.

Затем датчик Холла преобразует это магнитное поле в соответствующее напряжение. В этом методе вход и выход полностью изолированы.

Melexis: микросхема для создания любого датчика тока

Интегральные датчики тока, осуществляющие измерения в диапазоне от единиц до тысяч ампер для различных видов токов и типов проводников? Все, что вам нужно – внешние магнитные экраны и интегральные планарные датчики тока, выпускаемые компанией Melexis.

В современной технике датчики тока играют очень важную роль. Они могут использоваться для высокоточных измерений в лабораторном оборудовании или приборах учета ресурсов, для организации обратных связей по току в многоконтурных системах управления, при обеспечении защиты аппаратуры от аварийных перегрузок. Соответственно, к датчикам тока могут предъявляться самые разные комплексы требований в отношении их рабочих диапазонов, точности, стабильности, разрешающей способности, быстродействия, возможности измерений постоянного тока, гальванической развязки, условий применения, массогабаритных характеристик, рассеиваемой мощности в силовой цепи датчика и потребления на собственные нужды, а также – по стоимости изготовления и ввода в эксплуатацию. Поэтому широко используются разнообразные классы датчиков тока:

  • на основе измерения падения напряжения на образцовом активном сопротивлении при протекании через него контролируемого тока;
  • с использованием трансформаторов переменного тока;
  • на основе различных преобразователей магнитного поля, создаваемого током, в выходной сигнал – напряжение Холла, магнитозависимое изменение сопротивления, переключение магнитоуправляемого контакта, поворот плоскости поляризации света.

Поскольку доминирующей тенденцией для современной техники является стремление к миниатюризации решений, снижению стоимости владения и расширению универсальности применения оборудования, все более широкое использование получают датчики тока на основе микросхем с интегрированными элементами Холла.

Микросхемы с элементами Холла

В рамках этой концепции возможны два различных способа контроля тока. Первый, более традиционный вариант предполагает установку микросхемы с элементом Холла в сравнительно тонком немагнитном зазоре, который специально оставляется у ферромагнитного сердечника, охватывающего проводник с измеряемым током. Варианты компоновки такого датчика тока показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Датчик тока с микросхемой Холла, установленной в немагнитном зазоре сердечника, рас-
положенного вокруг проводника

Важные особенности этих датчиков:

  • принципиально необходим ферромагнитный сердечник, охватывающий проводник с контролируемым током;
  • немагнитный зазор сравнительно мал (2…5 мм), не зависит от диапазона измеряемых токов (кроме случаев очень большого протекающего тока) и определяется, в основном, толщиной корпуса микросхемы с элементом Холла;
  • сердечник обеспечивает концентрацию магнитного поля измеряемого тока и, одновременно, экранирует большинство паразитных магнитных полей, в частности, индуцированных токами, протекающими по другим проводникам;
  • измеряемое магнитное поле в зазоре сердечника направлено перпендикулярно к поверхности чипа;
  • магнитная индукция в зазоре (в зоне установки элемента Холла) почти не зависит от поперечного смещения микросхемы, но, с другой стороны, достаточно сильно зависит от толщины зазора;
  • размеры сердечника достаточно велики (много больше, чем, например, размеры магниточувствительной микросхемы);
  • сложно установить датчик с замкнутым сердечником на проводник с измеряемым током;
  • паразитные параметры ферромагнитного сердечника: магнитное насыщение, магнитный гистерезис, вихревые токи при быстром перемагничивании, температурная зависимость характеристик – принципиально ограничивают достижимые свойства датчика тока.

Основное соотношение, определяющее чувствительность датчиков токов с охватывающим сердечником, вычисляется по формуле:

B = 1.25×I/d

где B – индукция в зазоре (перпендикулярно поверхности чипа), мТл;

I – измеряемый ток (если сердечник охватывает один проводник), А;

d – толщина немагнитного зазора, мм.

Планарные датчики тока

Недостатки традиционной конструкции датчиков тока с ферромагнитным сердечником, охватывающим проводник, стимулировали разработку новой концепции: планарных датчиков тока. Они могут быть выполнены без внешнего ферромагнитного сердечника, чувствительны к касательной составляющей индукции магнитного поля, параллельной поверхности чипа, и имеют интегрированный в микросхему концентратор поля. Принцип работы этих датчиков тока показан на рисунке 2. Магнитное поле, создаваемое плоским или круглым проводником с током, концентрируется двумя плоскими восьмиугольниками из аморфного ферромагнитного материала, имеющего очень высокую магнитную проницаемость. В зазоре между ними установлен датчик Холла. В зависимости от геометрических размеров концентраторов регулируется доля магнитного потока, которую они стягивают на себя и подводят к зоне, где размещается элемент Холла. Таким образом, могут быть созданы датчики как для сравнительно небольших, так и для очень больших токов.

Рис. 2. Принцип измерения тока с помощью планарного датчика без внешнего ферромагнитного
сердечника

Рис. 3. Сравнительные размеры исполнений
концентраторов внешнего магнитного поля для
микросхем

Планарные датчики тока привлекательны малыми габаритами, фактически задаваемыми размером корпуса микросхемы, и простотой их установки вблизи проводника с измеряемым током. Значительное усиление магнитного поля концентратором позволяет получить достаточно хорошую чувствительность датчика и большое отношение полезного сигнала к шуму. Вместе с тем, отсутствие ферромагнитного сердечника определяет значительное влияние паразитных магнитных полей от других проводников и катушек с током, а также от постоянных магнитов. В некоторых случаях помехи можно снизить до приемлемого уровня правильным взаимным расположением микросхемы датчика, проводника с измеряемым током и источников паразитных магнитных полей. Если этого оказывается недостаточно, применяют магнитные экраны. Фактически их роль аналогична сердечнику в датчиках традиционной конструкции, но требования оказываются значительно слабее, поэтому такие экраны имеют достаточно простую форму, не мешающую установке датчика на проводник с током и не сильно увеличивающую его габарит.

Планарные датчики для слабых и сильных токов

Для использования планарных датчиков в широком диапазоне контролируемых токов выпускается несколько исполнений микросхем с разной величиной концентраторов магнитного поля. На рисунке 3 показано примерное соотношение размеров концентраторов у вариантов микросхем для сравнительно слабых токов (для малой напряженности магнитного поля) – LF, для больших токов и, соответственно, сильных полей – HF, и для очень сильных полей – VHF. У микросхем, оптимизированных для работы в слабых магнитных полях, интегрированный концентратор собирает поток с большего объема пространства, что обеспечивает наибольшую чувствительность этих датчиков. При малых размерах концентраторов (и одинаковых для всех исполнений свойствах полупроводникового чипа) чувствительность получается меньше. На рисунке 4 показаны диапазоны программирования чувствительности у разных исполнений микросхем. По тем же причинам у микросхем, оптимизированных для работы в слабых магнитных полях, магнитное насыщение концентратора наступает при меньшей напряженности внешнего магнитного поля. Микросхемы с меньшими размерами концентраторов сохраняют достаточно высокую линейность отклика даже в сравнительно сильных внешних полях (рисунок 5).

Рис. 4. Диапазоны программирования чувствительности микросхем для планарных датчиков тока

Рис. 5. Рабочие диапазоны (по величине магнитной индукции внешнего поля) для различных
опций микросхем планарных датчиков

Микросхемы планарных датчиков тока от Melexis

Рис. 6. Расчетная схема планарного датчика
тока с плоским проводником, не использующе-
го магнитный экран

Основные параметры микросхем для планарных датчиков тока, выпускаемые компанией Melexis, представлены в таблице 1. Имеется значительный выбор исполнений микросхем по чувствительности к величине внешнего магнитного поля, создаваемого измеряемым током. В совокупности с различными вариантами применения внешних магнитных экранов-концентраторов поля и, при необходимости, с использованием многовитковых цепей измеряемого тока, это позволяет создавать датчики для очень широкого диапазона тока фактически на основе одной и той же микросхемы. Кроме того, данные таблицы 1 показывают ощутимый прогресс характеристик этого семейства микросхем Melexis. Постепенно улучшается доступный пользователю диапазон чувствительности, уменьшается температурный дрейф нулевого уровня и крутизны преобразования «магнитное поле тока – выходное напряжение», увеличивается быстродействие датчика, расширяются допустимые рабочие температуры.

Таблица 1. Микросхемы Melexis для планарных датчиков тока

Параметры Наименование
MLX91205 MLX91206 MLX91208
Чувствительность*, мВ/мТл исполнение VHF нет нет 30…200
исполнение HF 100 60…330 50…330
исполнение LF 280 200…700 100…700
Пределы температурного дрейфа чувствительности, % ±2 ±1,5 ±1,5
Пределы дрейфа нулевого уровня, мВ ±50 ±20 ±10
Нелинейность** ±0,5 ±0,5 ±0,5
Время отклика, мкс 8 8 3
Полоса пропускания, кГц 100 100 250
Аналоговый выход есть есть есть
Выход с ШИМ нет есть нет
Программирование свойств нет есть есть
Контроль допустимого напряжения питания нет есть есть
Программирование уровней ограничения выходного сигнала нет есть нет
Диапазон рабочих температур, °С -40…125 -40…150 -40…150
Корпус SOIC-8 SOIC-8 SOIC-8

* – Микросхемы имеют различные исполнения по размерам концентратора поля (LF, HF, VHF) и возможности программирования чувствительности в заданном диапазоне. Микросхемы MLX91205 имеют два варианта исполнения с фиксированной чувствительностью: AAL-003 (LF) с чувствительностью 280 мВ/мТл и AAH-003 (HF) с чувствительностью 100 мВ/мТл. MLX91206 имеет семь исполнений: CAL-001 (LF) с номинальной чувствительностью 580 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 460…700 мВ/мТл; CAL-002 (LF) с номинальной чувствительностью 380 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 300…470 мВ/мТл; CAL-003 (LF) с номинальной чувствительностью 250 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 200…310 мВ/мТл; CAH-001 (HF) с номинальной чувствительностью 270 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 210…330 мВ/мТл; CAH-002 (HF) с номинальной чувствительностью 170 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 130…220 мВ/мТл; CAH-003 (HF) с номинальной чувствительностью 110 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 80…140 мВ/мТл; CAH-004 (HF) с номинальной чувствительностью 77,5 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 60…110 мВ/мТл. MLX91208 имеет три исполнения: CAL-000 (LF) с номинальной чувствительностью 250 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 100…700 мВ/мТл; CAH-000 (HF) с номинальной чувствительностью 100 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 50…300 мВ/мТл; CAV-220 (VHF) с номинальной чувствительностью 40 мВ/мТл и диапазоном ее программирования 30…200 мВ/мТл.
** – Нелинейность нормируется в % от полной шкалы измерения магнитной индукции.

Расчетная схема планарного датчика тока, не использующего дополнительный магнитный экран, показана на рисунке 6. Индукция внешнего магнитного поля измеряемого тока приблизительно определяется следующим выражением:

B = 1.25×I / (2×W+4×H)

где B – магнитная индукция (силовые линии поля проходят касательно поверхности чипа), мТл;
I – измеряемый ток (если используется только один виток проводника), А;
W – ширина плоского проводника с измеряемым током, мм;
H – высота расположения концентраторов микросхемы над проводником.

Формула дает ориентировочное значение индукции, и такой датчик в общем случае требует калибровки передаточной характеристики «ток – выходное напряжение» по месту использования после его установки относительно проводника с током. Сравнительно большая длина силовых линий магнитного поля, проходящих по воздуху, определяет пониженную чувствительность датчиков, не использующих экран, а также сильное влияние паразитных источников магнитных полей и собственных погрешностей микросхемы, приведенных к измеряемому току.

Рис. 7. Планарный датчик тока на диапазон 300…700 А с U-образным экраном

Рис. 8. Расчетная схема планарного датчика
тока с U-образным экраном

При необходимости получения улучшенных свойств датчика тока целесообразно использовать магнитный экран-концентратор. Универсальным, сбалансированным решением является U-образный экран (швеллер) из ферромагнитного материала с достаточно высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией насыщения и подходящими частотными свойствами. На рисунке 7 показано типовое решение для измерения токов в диапазоне 300…700 А с U-образным экраном. Такой экран не создает проблем установки датчика на проводник с измеряемым током, несущественно увеличивает габаритные размеры оборудования и при этом более чем вдвое улучшает его чувствительность, уменьшает влияние собственных погрешностей микросхемы на характеристики датчика и очень серьезно ослабляет влияние магнитных полей других токов. Упрощенная расчетная схема планарного датчика тока с U-образным экраном показана на рисунке 8. Индукция внешнего магнитного поля измеряемого тока приблизительно определяется следующим выражением:

B = 1.25×I/W

где B – магнитная индукция (силовые линии поля проходят по касательной к поверхности чипа), мТл;
I – измеряемый ток (если используется только один виток проводника), А;
W – расстояние между боковыми стенками U-образного экрана, мм.

Толщина стенок экрана зависит от величины измеряемых токов, расстояния между боковыми стенками и используемого материала. Во многих случаях хорошие характеристики датчика достигаются при изготовлении экрана из средненикелевого пермаллоя, например, сплава Supra50. Другие размеры швеллера (высота боковых стенок и длина вдоль проводника) выбираются из соображений адекватной защиты микросхемы от паразитных магнитных полей и обычно составляют 12…15 мм. Для ориентира в таблице 2 представлены рациональные параметры планарных датчиков тока с U-образным экраном для трех значений величины максимального измеряемого тока: 250, 500 и 1000 А. Использование микросхем Melexis позволяет реализовать компактные датчики для различных значений тока фактически с использованием одного и того же типа микросхемы.

Таблица 2. Референтные параметры проектов планарных датчиков с U-образным экраном

Пиковый измеряемый ток датчика, А Размеры U-образного экрана Пиковая величина магнитного поля тока, мТл Параметры микросхемы
W – расстояние между боковыми стенками, мм Толщина стенок экрана, мм Исполнение концентратора Чувствительность, мВ/мТл
250 12 0,8 25 HF 80
500 12 1,5 50 VHF 40
1000 20 1,5 60 VHF 35

Использование магнитных экранов позволяет достаточно просто реализовать развязку определенного датчика тока от паразитных магнитных полей, создаваемых другими токами. На рисунке 9 показан пример построения датчиков тока в трехфазной системе. U-образные магнитные экраны концентрируют (каждый – на свою микросхему) поле, наведенное током, протекающим в определенной фазе, и шунтируют поля «чужих» фаз. Благодаря этому, решение получается простым в проектировании и монтаже, хорошо предсказуемым и стабильным. Также рисунок 9 иллюстрирует совместное концентрирующее действие внешнего U-образного экрана и интегрированного в микросхему концентратора поля, стягивающих силовые линии магнитного поля в зону расположения датчика Холла.

Рис. 9. Организация контроля токов в трехфазной системе с использованием планарных датчиков
тока и U-образных экранов

Рис. 10. Вариант решения, обеспечивающего
развязку двух планарных датчиков тока, не
использующих магнитные экраны

При необходимости дальнейшего снижения стоимости решения и приемлемости некоторого ухудшения точности работы датчиков, могут применяться варианты, не использующие магнитный экран. В качестве примера на рисунке 10 показан способ развязки двух планарных датчиков тока в многофазной системе, не использующих экраны. В каждой фазе с помощью специальных просечек на проводниках осуществляется локальный разворот направления вектора измеряемого тока почти перпендикулярно к глобальному направлению его протекания. Соответственно, и микросхемы для измерения тока, установленные как раз в зоне локального поворота вектора тока, развернуты на 90° относительно их нормального расположения для контроля тока в данном проводнике. Благодаря этому микросхемы оказываются практически нечувствительными к полям токов фаз, протекающим вдоль проводников (имеется только небольшой остаточный сигнал, обусловленный погрешностями установки микросхем на проводники по сравнению с проектным расположением). В сочетании с пространственным разнесением (по длине проводников) мест локальных поворотов токов в разных фазах, планарный датчик тока определенной фазы почти не чувствует магнитных полей токов других фаз: от продольных токов – поскольку микросхема развернута к ним перпендикулярно, а от локальных поворотов – поскольку размеры этих участков малы и они находятся достаточно далеко. Могут быть и другие способы выделения полезного сигнала планарного датчика тока на фоне паразитных магнитных полей, например, благодаря разнице в их спектрах.

Демонстрационные проекты планарных датчиков тока от Melexis

Для ускорения проектирования планарных датчиков тока и гарантированного достижения достаточно высоких характеристик Melexis предлагает пользователям типовые разработки на самые разные диапазоны измеряемых токов:

  • Для измерения небольших токов 2…10 А, протекающих по проводникам печатной платы. При этом демонстрируются варианты решений с многовитковыми катушками (3 или 6 витков), обтекаемыми контролируемым током без использования магнитного экрана или с достаточно простым U-образным экраном, в зависимости от требований к чувствительности и точности датчиков. В качестве альтернативного предлагается проект с одним витком тока и экраном более сложной С-образной формы, который обеспечивает высокую концентрацию поля на микросхему. При этом пользователя знакомят с разными вариантами установки C-образного экрана на плату.
  • Для измерения токов на печатной плате в диапазоне 10…50 А. Используется один проводник (виток) с применением U-образного экрана или без него. Соответственно, достигается коэффициент передачи планарного датчика 170 или 60 мВ/А.
  • Для прямой установки печатной платы с микросхемой MLX91206 версии HF на плоскую медную шину 12х2 мм и использования U-образного экрана. При измерении токов до ±250 А нелинейность передаточной характеристики не превышает 1,5 А. Несмотря на простоту и низкую стоимость такого датчика, он обеспечивает высокую устойчивость к паразитным магнитным полям, механическим вибрациям и смещениям микросхемы.
  • Для прямой установки на шину с током и измерений в диапазоне 300…700 А. Датчик показан на рисунке 7. Он обеспечивает нелинейность менее 5 А в диапазоне измеряемых токов ±650 А.
  • Пример двухдиапазонной разработки. На одной и той же шине с током расположен планарный датчик на ±5 А (С-образный экран-концентратор, крутизна 400 мВ/А при погрешности в пределах 20…25 мА) и датчик на ±200 А (U-образный экран, крутизна 10 мВ/А при погрешности в пределах 200 мА). Благодаря компактности датчиков, не возникает проблем с их размещением на шине, а высокая перегрузочная способность по измеряемому току обеспечивает совместную работу в исключительно широком диапазоне с высокой относительной точностью при малых токах.
  • Планарные датчики тока 10…100 А для кабелей круглой формы.

Рис. 11. Планарный датчик тока ±2 А с много-
витковой катушкой измеряемого тока и внеш-
ним магнитным экраном

Для измерения очень малых токов (до ±2 А) можно использовать многовитковые катушки, выполненные на изолированном каркасе и обтекаемые контролируемым током. Выбором должного количества витков в сочетании с относительным расположением катушки и микросхемы можно добиться оптимальной чувствительности (полное использование динамического диапазона датчика при данном значении максимального тока). Высокая диэлектрическая прочность каркаса позволяет конструировать датчики с большим допустимым напряжением между цепью измеряемого тока и выходным сигналом микросхемы. При необходимости такой датчик может иметь внешний магнитный экран для улучшения чувствительности и защиты от паразитных магнитных полей (рисунок 11).

Для опробования характеристик планарных датчиков тока компания Melexis выпускает демонстрационный набор DVK91206. Он содержит три варианта печатных плат, на которые можно распаять MLX91206. Платы позволяют выбрать разное число витков, по которым протекает ток. В набор входят также семь микросхем MLX91206 с различными вариантами чувствительности (см. примечания к таблице 1) и три U-образных экрана. В совокупности набор позволяет реализовать значительное количество вариантов планарных датчиков тока и исследовать их характеристики.

Компания Melexis выпускает серию микросхем для реализации высококачественных планарных датчиков тока, которые обладают комплексом привлекательных характеристик. Комбинируя различные варианты этих микросхем, отличающихся размерами интегрированных концентраторов и программно устанавливаемой чувствительностью, и внешние магнитные экраны, можно реализовать малогабаритные датчики тока в диапазоне от единиц до тысяч ампер.