Bedrijven Texas-instrumenten En Honingwel aanbod Hall-sensoren met ultralaag stroomverbruik voor compacte toepassingen met zelfaangedreven. Modellen beschikbaar om een vaste positie te bepalen voorwerp en voor meting zijn beweging. Wat zijn de verschillen tussen TI- en Honeywell-sensoren, en welk model? zou beter geschikt zijn in het ene of het andere geval?
Om over te zetten naar elektrisch schema Om informatie te verkrijgen over de positie van verschillende bewegende elementen, zoals assen, dempers, afdekkingen en elektromotorrotoren, werden ooit gespecialiseerde apparaten ontwikkeld die bekend staan als positiesensoren. Er zijn sensoren gebaseerd op elektromechanische, capacitieve, inductieve, ultrasone, magnetische of optische werkingsprincipes, evenals vele gecombineerde apparaten. Elk type sensor heeft specifieke voor- en nadelen en kent zijn eigen toepassingsgebied. De afgelopen decennia is de lijst met typen positiesensoren aangevuld met een ander type: sensoren gebaseerd op het Hall-effect.
Onderscheidende kenmerken moderne elektronica zijn compact en zuinig. En als Hall-sensoren nog nooit speciale problemen hebben gehad met compactheid, dan was het tot voor kort niet eenvoudig met efficiëntie: dankzij de komst van zuinige elektronische apparaten, waardoor het apparaat meerdere jaren vanuit één element kon werken lithiumbatterij, levert zelfs een klein stroomverbruik van een conventionele Hall-sensor al een aanzienlijke bijdrage aan het totale energieverbruik van het systeem.
Daarom binnen de laatste tijd toonaangevende fabrikanten elektronische componenten, inbegrepen Texas-instrumenten En Honingwel, introduceerde een nieuw type positiesensoren gebaseerd op het Hall-effect, gekenmerkt door verhoogde efficiëntie. Het belangrijkste kenmerk van deze microschakelingen is het ultralage eigen verbruik, dat samen met compact formaat en hoge gevoeligheid maken ze ideaal voor compacte batterijgevoede toepassingen, b.v. draadloze sensoren beveiligingssystemen, Internet of Things-apparaten en andere systemen.
Kenmerken van discrete Hall-sensoren met laag vermogen
Er zijn lineaire en discrete Hall-sensoren (Figuur 1). De uitgangssignalen van lineaire sensoren zijn evenredig met de grootte van de magnetische inductie. De belangrijkste toepassingsgebieden voor dergelijke apparaten zijn magnetische veldsterktemeters, gelijk- en wisselstroomsensoren (Figuur 2), contactloze potentiometers, rotatiehoeksensoren en andere toepassingen die met continue signalen werken. Naast de versterker- en temperatuurcompensatiecircuits kunnen microcircuits, afhankelijk van hun specialisatie, vele andere componenten bevatten, bijvoorbeeld ADC's, alarmvergelijkers voor het activeren van de centrale microcontroller, controllers van populaire interfaces voor gegevensoverdracht (USART, I 2 C, SPI en andere), en ook niet-vluchtig geheugen voor het opslaan van instellingen.
Wanneer absolute waarde magnetische veldinductie doet er niet toe, maar het is belangrijk om alleen de aanwezigheid of afwezigheid van een magnetisch veld te bepalen - gebruik Hall-sensoren met discrete uitgang. Deze IC's integreren doorgaans een of meer hysteresisvergelijkers die de uitgangsspanning van de differentiële versterker vergelijken met drempelniveaus. Het toepassingsgebied van discrete Hall-sensoren is breed geautomatiseerde toepassingen: sensoren voor het openen van deuren, frequentiemeters, synchronisatoren, ontstekingssystemen voor auto's, controllers van bewegende elementen (kleppen, poorten, afdekkingen, enz.), beveiligingssystemen, elektrische motorbesturingsapparaten en vele anderen.
Een klassiek voorbeeld van het gebruik van discrete Hall-sensoren zijn elektromotoren die worden gebruikt 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 aan de rotatiesnelheid, waardoor u zowel de gezondheid en prestaties van de ventilator.
Relatief nieuw gebied toepassingen van discrete Hall-sensoren zijn apparaten bewaking op afstand, waarbij ze geleidelijk de afgedichte elektromechanische contacten (reed-schakelaars) vervangen die traditioneel in deze toepassingen worden gebruikt. Gebruik bijvoorbeeld een Hall-sensor in combinatie met een drie-assige accelerometer in een draadloze deursensor DMS-100, geproduceerd door het bedrijf Pandora(Afbeelding 4), stelt u in staat de impact, rotatie en de staat (open/gesloten) van deuren, luiken, kofferdeksels, koffers en aanhangwagens te herkennen. Omdat de DMS-100-sensor gebruikt draadloze interface datatransmissie en batterijvoeding, kan hij eenvoudig en snel op moeilijk bereikbare plaatsen worden geplaatst.
De belangrijkste voordelen van Hall-sensoren ten opzichte van reedschakelaars zijn hoge betrouwbaarheid, compactheid en verhoogde gevoeligheid. Bovendien kan het meetelement niet alleen de grootte, maar ook de polariteit van het magnetische veld bepalen, inclusief het gebruik van meerdere coördinaten. Al deze voordelen zorgen ervoor dat Hall-sensoren kunnen worden gepositioneerd als een veelbelovende elementbasis.
In gevallen waarin continue bewaking van het object niet vereist is (bijvoorbeeld bij beveiligingssystemen), kan het stroomverbruik van de Hall-sensor worden verminderd door over te schakelen naar intermitterende werking. Bij het bewaken van een deur of raam is het bijvoorbeeld niet nodig om voortdurend hun toestand te bepalen; het is voldoende om dit meerdere keren per seconde te doen, omdat de snelheid van hun beweging relatief laag is. Vanwege het feit dat het meetelement van de Hall-sensor vrijwel traagheidsvrij is en de moderne elementbasis wordt gekenmerkt door hoge snelheid, zijn slechts enkele tientallen microseconden voldoende om het magnetische veldniveau te meten zonder dat dit ten koste gaat van de nauwkeurigheid. Dus als de sensorchip het grootste deel van de tijd in de slaapmodus doorbrengt, waarin het stroomverbruik wordt teruggebracht tot het niveau van enkele microampères, kan de gemiddelde waarde van de door de sensor verbruikte stroom met verschillende ordes van grootte worden verminderd.
Laat bijvoorbeeld 100 μs en een stroom van 5 mA voldoende zijn om metingen uit te voeren. Als er 10 keer per seconde metingen worden gedaan met een interval van 100 ms, dan wordt bij een stroomverbruik in de slaapmodus van 5 μA het gemiddelde stroomverbruik I avg berekend volgens formule 1 (Figuur 5):
$$I_(gem)=\frac(T_(1))(T)\tijden I_(1)+\frac(T_(2))(T)\tijden I_(2),\qquad(\mathrm(( ))(1)(\mathrm()))$$
Waar T 1 = (T 1 – 0) – duur van de meetfase, T 2 = (T – T 1) – 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 tijdens het functioneren continue metingen. Daarom is het gebruik van de intermitterende modus effectieve middelen het verminderen van het stroomverbruik van discrete Hall-sensoren zonder afbreuk te doen aan hun functionaliteit, waardoor ze ideaal zijn voor een breed scala aan compacte batterijgevoede toepassingen.
Hall-sensoren met laag vermogen van Texas Instruments
Op het moment van schrijven omvat het productassortiment van TI twee modellen sensoren met ultralaag verbruik die elkaar qua functionaliteit aanvullen. Belangrijk verschil van de voorgestelde apparaten is de methode voor het genereren van het uitgangssignaal. De DRV5032-microschakelingen detecteren de aanwezigheid van een magnetisch veld met een inductie boven de drempelwaarde, die, afhankelijk van de aanpassing, in het bereik van 3,8...63 mT kan liggen (Figuur 6), terwijl de DRV5012-sensoren een vergrendelingsfunctie hebben , waarvan de toestand alleen verandert als 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 bepalen, bijvoorbeeld om het openen van een raam of deur te detecteren, en kan werken met conventionele tweepolige magneten, en DRV5012 - om beweging te meten van bijvoorbeeld de rotor van een elektromotor, en zijn ze meer gericht op het werken met meerpolige magneten.
Een vereenvoudigd blokschema van de DRV5032-sensoren wordt getoond in Figuur 8, en hun technische kenmerken worden gegeven in Tabel 1. De chip integreert: een spanningsstabilisator die zorgt voor vereiste modus werking van alle componenten in een breed voedingsspanningsbereik, geregelde stroombron voor het meetelement, differentieel operationele versterker met compensatiecircuits die de invloed van temperatuur en offsetspanning aan de uitgang van het meetelement elimineren, en stuuruitgangen logische poorten. Van externe componenten Voor een stabiele werking van het apparaat is alleen een blokkerende keramische condensator met een capaciteit van minimaal 0,1 μF vereist, die transiënte processen in het stroomcircuit elimineert die worden veroorzaakt door het gepulseerde karakter van de verbruikte stroom.
Tabel 1. Specificaties DRV5032-chips
| 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 gevoeligheid voor magnetisch veld | Unipolair | Bipolair | Bipolair | Bipolair | Unipolair | Bipolair | Bipolair |
| Type uitgangen | Push-pull | Push-pull | Push-pull | Afvoer openen | Push-pull | Afvoer openen | Afvoer openen |
| Aantal uitgangen | 1, 2 * | 1 | 1 | 1 | 2 * | 1 | 1 |
| Bemonsteringsfrequentie, typisch, 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. ** , μA | 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 | |
| Bedrijfstemperatuur, °C | -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 gericht is); X2SON – twee uitgangen (voor 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 het externe magnetische veld. In bipolaire versies uitgangsspanning neemt laag logisch niveau bij toenemende magnetische veldinductie boven de drempelwaarde, ongeacht de polariteit (Figuur 6). Dit vereenvoudigt de productie van de apparatuur, omdat in dit geval de handeling van het positioneren van de magneetpolen wordt geëlimineerd. Unipolaire versies (met de achtervoegsels DU en FD) kunnen twee uitgangen hebben: uitgang OUT1 wordt naar een logische nultoestand geschakeld wanneer de magneet met de noordpool naar het apparaat is gericht, en OUT2 wordt naar het zuiden geschakeld (Afbeelding 9). De mogelijkheid om de polariteit van een magnetisch veld te bepalen breidt de functionaliteit van eindtoepassingen uit, waardoor u niet alleen de aanwezigheid van een object kunt bepalen, maar ook de oriëntatie ervan. In microschakelingen met het achtervoegsel DU, geproduceerd in een drie-pins SOT-23-pakket, is er geen OUT1-uitgang en kunnen ze alleen de aanwezigheid bepalen van een magneet die op de sensor met de zuidpool is gericht.
Het type uitgangen is ook afhankelijk van de versie van het apparaat. De familie bevat zowel microcircuits met een push-pull-uitgang, die het mogelijk maakt om sensoruitgangen rechtstreeks op de microcontrollerpoorten aan te sluiten zonder gebruik te maken van externe pull-up-weerstanden, als apparaten met een “open drain”-type uitgang, waarmee u de uitgangen van verschillende sensoren met behulp van een bedradings-OF-circuit. Bovendien maakt een breed voedingsspanningsbereik van 1,65...5,5 V het gebruik van DRV5032-microcircuits met de meeste populaire series microcontrollers mogelijk zonder het gebruik van extra circuits voor het aanpassen van logisch signaalniveau.
Om de sterkte van het externe magnetische veld te meten, hebben DRV5032-microcircuits gemiddeld 40 μs nodig. Bovendien voeren alle versies, behalve apparaten met het FB-achtervoegsel, 20 metingen per seconde uit. Hierdoor kan, bij een maximaal stroomverbruik van 2 mA, de gemiddelde waarde ervan worden verlaagd tot het niveau van 1,3...2,4 μA. Nog meer efficiëntie wordt geboden door microschakelingen met het FB-achtervoegsel, waarbij de meetfrequentie wordt verlaagd tot 5 Hz, waardoor het gemiddelde stroomverbruik op het niveau van 0,54...1,6 μA kan worden gebracht.
Het blokschema van de DRV5012-microschakelingen (Figuur 10) en hun technische kenmerken (Tabel 2) zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de DRV5032. Naast de hierboven besproken methode voor het genereren van het uitgangssignaal, is er nog een andere onderscheidend kenmerk DRV5012 kan de meetfrequentie regelen met behulp van de SEL-pin. Onder voorbehoud van beschikbaarheid laag niveau bij deze ingang meet de microschakeling 20 keer per seconde de magnetische veldsterkte, en bij het instellen van een logische eenheid neemt de meetfrequentie toe tot 2,5 kHz. Dit maakt het gebruik van deze apparaten mogelijk in toepassingen met zowel langzame als snelle processen, en optimaliseert het energieverbruik van het systeem verschillende modi werk.
Tabel 2. Technische kenmerken van de DRV5012-chip
| Opties | ||
|---|---|---|
| Gevoeligheid, mT | 2 | |
| Uitvoertype | Push-pull | |
| Voedingsspanning, V | 1,65…5,5 | |
| Maximale stroom in actieve modus, typ., mA | 2 | |
| Duur van actieve modus, typ., µs | 55 | |
| Meetduur, typisch, µs | 40 | |
| Bedrijfstemperatuur, °C | -40…85 | |
| Kader | X2SON | |
| Bemonsteringsfrequentie, typisch, Hz | 20 | 2500 |
| Gemiddeld stroomverbruik bij voedingsspanning 1,8…5,0 V, typisch, µA | 1,3…2,0 | 142…160 |
Hall-sensoren met laag vermogen van Honeywell
Het productassortiment van een van de oudste fabrikanten van Hall-sensoren: het bedrijf Honingwel– er zijn ook twee modellen positiesensoren met laag vermogen, die alleen qua gevoeligheid verschillen.
Het blokdiagram (Afbeelding 11), de technische kenmerken (Tabel 3) en het werkingsprincipe van de SM351- en SM353-microschakelingen zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de hierboven besproken DRV5032-microschakelingen vervaardigd door Texas Instruments. Om het energieverbruik te verminderen, wordt er alleen stroom geleverd aan analoge knooppunten tijdens metingen, die 15 μs duren. Het schakelen van de stroom wordt uitgevoerd met behulp van een transistorschakelaar die wordt bestuurd door een timer die een klokgenerator, teller, decoder en andere bevat noodzakelijke componenten. Gemiddelde frequentie metingen van de magnetische veldsterkte zijn 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 verminderen tot een niveau van niet meer dan 0,4 μA.
De SM351- en SM353-microcircuits zijn ongevoelig voor de polariteit van het externe magnetische veld en hebben push-pull-uitgangen waarmee ze kunnen worden aangesloten op een microcontroller zonder het gebruik van externe pull-up-weerstanden. Beide apparaten worden geproduceerd in compacte SOT-23-pakketten 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 de auto- en industriële elektronica samen met de meest populaire microcontrollers.
Tabel 3. Technische kenmerken van Honeywell Hall-sensoren bij een voedingsspanning van 1,8 V
| Opties | Naam | |
|---|---|---|
| SM351 | SM353 | |
| Uitvoertype | Push-pull | |
| Voedingsspanning, V | 1,65…5,5 | |
| Duur van actieve modus, typ., µs | 15 | |
| Bedrijfstemperatuur, °C | -40…85 | |
| Kader | SOT-23 | |
| Bemonsteringsfrequentie, typisch, Hz | 10 | |
| Gevoeligheid, mT | 0,7 | 1,4 |
| Maximale stroom in actieve modus, typisch, mA | 1 | 0,8 |
| Gemiddeld stroomverbruik, µA | 0,36 | 0,31 |
In tegenstelling tot producten van Texas Instruments vereisen Honeywell-sensoren een andere magnetische veldoriëntatie. Voor een correcte werking moeten externe magneten met hun polen naar het eindoppervlak van de microcircuits zijn gericht (Afbeelding 12), terwijl bij sensoren van Texas Instruments deze opstelling van magneten in de “blinde” zone valt.
Studie van karakteristieken van Hall-sensoren
Om de daadwerkelijke prestaties van Hall-sensoren met laag vermogen te testen, hebben we de SM351LT en SM353LT van Honeywell en de DRV5032FA en DRV5032FB van Texas Instruments vergeleken. Deze apparaten hebben dezelfde functionaliteit, behuizing en type uitgangen en verschillen alleen in gevoeligheid, reactiesnelheid en stroomverbruik. Bij het voorbereiden van het artikel werd een onderzoek uitgevoerd op vijf monsters van microschakelingen van elk model.
Het diagram en het uiterlijk van de meetopstelling worden getoond in Figuur 13. Elke sensor is gemonteerd op een afzonderlijk breadboard met daarin een keramische condensator C2, ontworpen om transiënte processen in het stroomcircuit te elimineren, en weerstand R3, waarmee u de vorm van de meetopstelling kunt regelen. de verbruikte stroom met behulp van een oscilloscoop. Bij het uitvoeren van metingen die geen verband houden met het bewaken van timingdiagrammen, wordt weerstand R3 gesloten door een externe verbindingsdraad.
De PV1-multimeter is ontworpen om de gemiddelde stroomwaarde in de stroomcircuits van microcircuits te meten. Hij meet de spanningsval over weerstand R1, waarvan de weerstand zo gekozen is dat bij een stroom van 1 mA het potentiaalverschil erover gelijk is aan 200 mV. Hierdoor kan, bij de meest gevoelige limiet van de multimeter 200 mV, stroom worden gemeten in het bereik van 0...1 mA met een resolutie van 0,005 μA, wat voldoende is voor onderzoek.
Elektrolytische condensator C1 is ontworpen om een mogelijke spanningsval tijdens metingen als gevolg van een toename van de interne weerstand van de voeding na toevoeging van weerstand R1 te elimineren. Elementen R1 en C1 vormen een laagdoorlaatfilter met een tijdconstante van 0,2 s, wat veel langer is dan de meetduur (15 μs voor SM351LT en SM353LT, 40 μs voor DRV5032FA en DRV5032FB).
De werking van de sensor wordt geregeld met LED VD1, waarvan de stroom wordt begrensd door weerstand R2. Om de invloed van de belasting van de microschakeling op de hoeveelheid stroom die deze verbruikt te elimineren, is de LED met een aparte draad verbonden met de positieve pool van de stroombron, waarbij het R1C1-filter wordt omzeild.
Het circuit wordt gevoed door een gereguleerde bron gelijkstroom met controle van de uitgangsspanning. Omdat de voedingsspanning wordt gemeten vóór het filter R1C1, zal de werkelijke waarde ervan op de pinnen van de microcircuits kleiner zijn met de hoeveelheid spanningsval over de weerstand R1, die 60 mV kan bereiken bij een voedingsspanning van 5 V. Aangezien de uitgevoerde studies zijn schattingen, dit kan worden verwaarloosd, omdat het aansluiten van een multimeter, hoewel hoog, maar nog steeds eindig interne weerstand, rechtstreeks op de stroompinnen van de microcircuits zou leiden tot extra fouten in stroommetingen.
De resultaten van metingen van het stroomverbruik worden weergegeven in Tabel 4. Zoals blijkt uit de verkregen gegevens, hebben alle bestudeerde sensoren een goede herhaalbaarheid van parameters en komen de verkregen waarden overeen met de typische waarden gespecificeerd in technische documentatie.
Als u de afhankelijkheid van de gemiddelde waarden van het stroomverbruik van de voedingsspanning analyseert (Figuur 14), kunt u zien dat het stroomverbruik van apparaten vervaardigd door Texas Instruments minder van deze parameter afhangt dan die van Honeywell-sensoren. Tegelijkertijd zijn Honeywell-microschakelingen bij voedingsspanningen van minder dan 4 V zuiniger dan producten van Texas Instruments.
Ook de grafieken in Figuur 14 laten duidelijk het effect van de meetfrequentie op het energieverbruik zien. De stroom die de DRV5032FA-chip met een frequentie van 20 Hz verbruikt, over het gehele bereik van voedingsspanningen, is bijna twee keer zoveel als de stroom van de DRV5032FB-chip met een frequentie van 5 Hz. Er kan worden aangenomen dat de DRV5032FB het laagst mogelijke stroomverbruik heeft voor deze technologie, en het verder terugbrengen van de meetfrequentie naar nul zal geen significante invloed meer hebben op de hoeveelheid verbruikte stroom.
Tabel 4. Resultaten van metingen van stroomverbruik bij een temperatuur van 27°C
| 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 | |
| Gemiddelde waarde | 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 | |
| Gemiddelde waarde | 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 | |
| Gemiddelde waarde | 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 | |
| Gemiddelde waarde | 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 microcircuits wordt verbruikt, kan worden bekeken door de jumper te verwijderen en een oscilloscoop aan te sluiten op weerstand R3. De meetresultaten (Figuur 15) bevestigen dat het een uitgesproken pulskarakter heeft en verschillende ordes van grootte verschilt in de actieve modus en de slaapmodus.
Een andere belangrijk kenmerk Hall-sensoren zijn gevoeligheid, die de kenmerken van praktische toepassing bepaalt, evenals de vereisten voor de kenmerken en locatie van magnetische veldbronnen. De technische documentatie voor microschakelingen geeft de hoeveelheid 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. Bij gebruik van echte magneten zal de sensor daarom op een bepaalde afstand werken, afhankelijk van hun geometrische afmetingen en restinductie.
U kunt TI-documentatie gebruiken of informatie materialen, speciaal voor Hall-sensoren. Voor permanente rechthoekige magneten kan de inductie op een afstand D van de oppervlakken van de magneetpolen worden bepaald met formule 2:
$$\vec(B)=\frac(B_(r))(\pi)\times \left(\arg \tan \left(\frac(WL)(2D\times\sqrt(4D^(2)+ W^(2)+L^(2)))\right)-\arg \tan \left(\frac(WL)(2(D+T)\times\sqrt(4(D+T)^(2 )+W^(2)+L^(2)))\right)\right).\qquad(\mathrm(())(2)(\mathrm()))$$
En voor cilindrische exemplaren - volgens formule 3:
$$\vec(B)=\frac(B_(r))(2)\times \left(\frac(D+T)(\sqrt((0,5C)^(2)+(D+T)^ (2)))-\frac(D)(\sqrt((0,5C)^(2)+D^(2)))\right),\qquad(\mathrm(())(3)(\mathrm ()))$$
waarbij W breedte is, L lengte, T dikte, C diameter, Br magneetinductie is (Figuur 16).
U kunt hiervoor ook een online calculator gebruiken, beschikbaar op de website van Texas Instruments. Het voordeel van de laatste optie is de mogelijkheid snelle definitie de afstand waarop een bepaald apparaat zal werken. Door bijvoorbeeld de parameters van een permanente magneet in te voeren op de pagina gewijd aan DRV5032-sensoren, kunt u onmiddellijk de inductiewaarde bepalen in het juiste punt en de afstanden waarop alle versies van 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 gemaakt van N38-materiaal 8 x 8 mm die bij de metingen werd gebruikt (Figuur 17).
De resultaten van het meten van de gevoeligheid van de sensoren zijn 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 hersteld initiële staat 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 loodrecht op het bovenste vlak van de microschakeling en door het midden ervan (Figuur 9). Volgens de technische documentatie moeten de overeenkomstige kenmerken van deze apparaten binnen het bereik van 1,5...4,8 mT (bedrijf) en 0,5...3,0 mT (herstel) liggen over het gehele bereik van voedingsspanningen. Alle monsters van de DRV5032FA- en DRV5032FB-microschakelingen voldoen dus volledig aan de aangegeven kenmerken.
In onderzoeken met Honeywell-sensoren werd de magneet verplaatst volgens de aanbevelingen van de fabrikant (Figuur 12). De SM351LT-sensoren werden geactiveerd op een gemiddelde magneet-tot-chip-afstand van 36 mm, wat overeenkomt met een inductie van 1,25 mT, en herstelden op een gemiddelde afstand van 39 mm, wat overeenkomt met een inductie van 1,0 mT. Volgens de technische documentatie moet voor SM351LT-microcircuits de activeringsinductie in het bereik van 3...11 Gs (0,3...1,1 mT) liggen en moet de vrijgave-inductie minimaal 2 Gs (0,2 mT) zijn, en maximale waarde deze waarde is niet gestandaardiseerd. Zoals uit de onderzoeksresultaten blijkt, bleek de werkelijke gevoeligheid van de SM351LT-sensoren iets lager te zijn dan de waarden vermeld in de technische documentatie, in tegenstelling tot de SM353LT-microcircuits, die werden geactiveerd bij een gemiddelde inductie van 1,86 mT (gemiddelde afstand 31 mm), wat in het toegestane bereik van 6...20 G (0,6...2,0 mT) ligt.
Conclusie
Beveiligingssystemen, energiemeters, medische apparatuur, Internet of Things-apparaten - deze zijn verre van volledige lijst toepassingen waarin de in dit artikel besproken Hall-sensoren kunnen worden gebruikt. Belangrijkste kenmerken Alle apparatuur waarin deze microschakelingen kunnen worden gebruikt, is compact en stelt strenge eisen aan het energieverbruik, omdat ze voor deze doeleinden zijn ontwikkeld.
Ondanks dat de geteste toestellen geproduceerd zijn door verschillende fabrikanten, hun kenmerken vullen elkaar aan en bieden een uitgebreid hardwareplatform waarop ontwikkelaars veel praktische problemen kunnen oplossen.
Hallo allemaal!
Misschien is het de moeite waard om jezelf een beetje voor te stellen: ik ben een gewone circuitingenieur die ook geïnteresseerd is in programmeren en enkele andere gebieden van de elektronica: DSP, FPGA, radiocommunicatie en enkele andere. De laatste tijd ben ik verdiept in SDR-ontvangers. Aanvankelijk wilde ik mijn eerste artikel (ik hoop niet mijn laatste) wijden aan een serieuzer onderwerp, maar voor velen zal het slechts lectuur worden en niet nuttig zijn. Daarom is het gekozen onderwerp zeer gespecialiseerd en exclusief toegepast. Ik wil ook opmerken dat alle artikelen en vragen daarin waarschijnlijk meer door de kant van een circuitontwerper zullen worden bekeken, dan door een programmeur of iemand anders. Nou, laten we gaan!
Nog niet zo lang geleden kreeg ik de opdracht om een “Systeem voor het monitoren van de energievoorziening van een woongebouw” te ontwerpen. De klant houdt zich bezig met de bouw van landhuizen, dus sommigen van jullie hebben mijn apparaat misschien zelfs al gezien. Dit apparaat meet het stroomverbruik op elke ingangsfase en spanning, en verzendt tegelijkertijd gegevens via het radiokanaal geïnstalleerd systeem « Slim huis"+ wist de starter bij de ingang van het huis uit te zetten. Maar vandaag zullen we er niet over praten, maar over het kleine maar zeer belangrijke onderdeel ervan: de huidige sensor. En zoals je al uit de titel van het artikel begreep, zullen dit "contactloze" stroomsensoren zijn van het bedrijf Allegro - ACS758-100.
________________________________________________________________________________________________________________________
Je kunt de datasheet bekijken van de sensor waar ik het over zal hebben. Zoals je misschien wel raadt, is het getal “100” aan het einde van de markering de maximale stroom die de sensor kan meten. Ik zal eerlijk zijn - ik heb hier mijn twijfels over, het lijkt mij dat de terminals eenvoudigweg niet lang bestand zijn tegen 200A, hoewel het best geschikt is om de inschakelstroom te meten. In mijn toestel passeert een 100A-sensor voortdurend zonder problemen minstens 35A + er zijn verbruikspieken tot 60A.
Figuur 1 - Verschijning sensor ACS758-100(50/200)
Voordat ik verder ga met het hoofdgedeelte van het artikel, raad ik u aan om vertrouwd te raken met twee bronnen. Als je dat hebt basiskennis in de elektronica zullen ze overbodig zijn en sla deze paragraaf gerust over. Ik raad anderen aan om te gaan hardlopen algemene ontwikkeling en begrip:
1) Hall-effect. Verschijnsel en werkingsprincipe
2) Moderne stroomsensoren
________________________________________________________________________________________________________________________
Laten we beginnen met het belangrijkste, namelijk de etikettering. Ik koop 90% van de tijd componenten op www.digikey.com. Componenten arriveren binnen 5-6 dagen in Rusland, de website heeft waarschijnlijk alles, er is ook een zeer handige parametrische zoek- en documentatiefunctie. Dus volledige lijst sensoren van de familie zijn daar op aanvraag te bekijken" ACS758"Mijn sensoren zijn daar gekocht - ACS758LCB-100B.
Alles staat gemarkeerd in de datasheet, maar ik zal er nog steeds op letten sleutelpunt "100V":
1) 100
- dit is de meetlimiet in ampère, dat wil zeggen dat mijn sensor tot 100A kan meten;
2) "IN" - deze brief is de moeite waard om speciale aandacht aan te besteden; in plaats daarvan kan er ook de letter zijn " U". Gauge met letter B kan wisselstroom en daarmee gelijkstroom meten. Sensor met letter U Kan alleen gelijkstroom meten.
Er staat ook een uitstekend teken over dit onderwerp aan het begin van het gegevensblad: 
Figuur 2 - Soorten stroomsensoren van de ACS758-familie
Ook een van de belangrijkste redenen het gebruik van een dergelijke sensor is geworden - galvanische isolatie. Stroompinnen 4 en 5 zijn niet elektrisch verbonden met pinnen 1,2,3. IN deze sensor communicatie alleen in de vorm van een geïnduceerd veld.
Er verscheen er nog een in deze tabel belangrijke parameter- afhankelijkheid van uitgangsspanning en stroom. Lief van dit type sensoren is dat ze een spanningsuitgang hebben en geen stroomuitgang zoals klassieke stroomtransformatoren, wat erg handig is. Zo kan de sensoruitgang direct worden aangesloten op de ADC-ingang van de microcontroller en kunnen er metingen worden gedaan.
Voor mijn sensor is deze waarde 20 mV/A. Dit betekent dat wanneer er een stroom van 1A door de klemmen 4-5 van de sensor vloeit, de spanning aan de uitgang ervan zal toenemen met 20 mV. Ik denk dat de logica duidelijk is.
Het volgende punt is: welke spanning zal er aan de uitgang zijn? Gezien het feit dat het voedsel “menselijk” is, dat wil zeggen unipolair, dan bij het meten AC er moet een ‘startpunt’ zijn. Bij deze sensor is dit referentiepunt de helft van de voeding (Vcc). Deze oplossing komt vaak voor en is handig. Wanneer de stroom in één richting vloeit, is de uitvoer " 1/2 Vcc + I*0,02V"In nog een halve cyclus, wanneer de stroom in de tegenovergestelde richting vloeit, zal de uitgangsspanning smaller zijn" 1/2 Vcc - I*0,02V". Aan de uitgang krijgen we een sinusoïde, waar “nul” is 1/2Vcc. Als we gelijkstroom meten, hebben we aan de uitgang " 1/2 Vcc + I*0,02V", dan trekken we bij het verwerken van de gegevens op de ADC eenvoudigweg de constante component af 1/2 Vcc en werk met echte gegevens, dat wil zeggen met de rest I*0,02V.
Nu is het tijd om in de praktijk te testen wat ik hierboven heb beschreven, of beter gezegd wat ik in de datasheet lees. Om met de sensor te werken en de mogelijkheden ervan te testen, heb ik deze “ministandaard” gebouwd:
Figuur 3 - Testgebied voor huidige sensor
Allereerst besloot ik de sensor van stroom te voorzien en de output ervan te meten om er zeker van te zijn dat deze als “nul” wordt beschouwd 1/2 Vcc. Het aansluitschema is te vinden in de datasheet, maar ik, gewoon om kennis te maken, verspilde geen tijd en vormde een filtercondensator voor de voeding + RC laagdoorlaatfiltercircuit op de Vout-pin. In een echt apparaat is er nergens zonder! Ik eindigde met deze foto:
Figuur 4 - Resultaat van de “nul”-meting
Wanneer er stroom wordt toegepast 5V van mijn sjaal STM32VL-ontdekking Ik zag deze resultaten - 2,38 V. De eerste vraag die opkwam: " Waarom 2.38, en niet 2.5 beschreven in de datasheet?"De vraag verdween vrijwel onmiddellijk: ik heb de voedingsbus gemeten tijdens het debuggen en er was 4,76-4,77 V. Maar het punt is dat eten komt bij 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. Dit is waar de 250 mV ongeveer daalt. Nou, oké, dit is niet cruciaal, het belangrijkste is om te weten dat "nul" 2,38V is. Het is deze constante die ik zal aftrekken bij het verwerken van gegevens uit de ADC.
Laten we nu de eerste meting uitvoeren, voorlopig alleen met behulp van een oscilloscoop. Ik ga de kortsluitstroom van mijn geregelde voeding meten, deze is gelijk aan 3.06A. De ingebouwde ampèremeter geeft dit aan en de flux gaf hetzelfde resultaat. Laten we de voedingsuitgangen aansluiten op pootjes 4 en 5 van de sensor (op de foto heb ik een draad erin gegooid) en kijken wat er gebeurde:
Figuur 5 - Stroommeting kortsluiting BP
Zoals we kunnen zien, is de spanning dat wel Vuit toegenomen van 2,38V tot 2,44V. Als we naar de bovenstaande afhankelijkheid kijken, dan hadden we dat moeten krijgen 2,38V + 3,06A*0,02V/A, wat overeenkomt met een waarde van 2,44V. Het resultaat komt overeen met de verwachtingen; bij een stroomsterkte van 3A ontvingen we een verhoging 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 erg middelmatig, de systeemfrequentie is slechts 24 MHz, maar deze zakdoek heeft veel meegemaakt en heeft zichzelf bewezen. Ik heb hem waarschijnlijk al zo'n 5 jaar in mijn bezit, want ik kreeg hem gratis in een tijd dat er links en rechts ST's werden uitgedeeld.
In eerste instantie wilde ik uit gewoonte een op-amp met een coëfficiënt na de sensor installeren. winst "1", maar kijken naar blokschema Ik besefte dat hij al binnen stond. Het enige dat het overwegen waard is, is wanneer maximale stroom uitgangsvermogen zal gelijk 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 te installeren, bijvoorbeeld 1:1,5 of 1:2. Mijn stroom is schaars, dus ik zal dit moment voorlopig verwaarlozen. Mijn testapparaat ziet er ongeveer zo uit:
Figuur 6 - Onze “ampèremeter” assembleren
Om de resultaten te visualiseren, heb ik ook een Chinees display op de ILI9341-controller geschroefd, gelukkig lag het ergens, maar mijn handen konden er gewoon niet bij. Om een volwaardige bibliotheek voor hem te schrijven, heb ik een paar uur en een kop koffie gedood, gelukkig bleek de datasheet verrassend informatief, wat zeldzaam is voor het handwerk van de zonen van Jackie Chan.
Nu moeten we een functie schrijven om Vout te meten met behulp van de ADC van de microcontroller. Ik zal niet in detail treden; er is al een heleboel 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); return ADC_GetConversionValue(ADC1); )
Om vervolgens de ADC-meetresultaten te verkrijgen uitvoerbare code hoofdgedeelte of onderbreking, moet het volgende worden geschreven:
Data_adc = get_adc_value();
Nadat u eerder de data_adc-variabele hebt gedeclareerd:
Externe uint16_t data_adc;
Als resultaat krijgen we de variabele data_adc, die een waarde van 0 tot 4095 heeft, omdat De ADC in STM32 is 12 bit. Vervolgens moeten we het resultaat dat we 'bij papegaaien' hebben verkregen, omzetten in een meer vertrouwde vorm voor ons, dat wil zeggen in ampère. Daarom is het noodzakelijk om eerst de deelprijs te berekenen. Na de stabilisator op de 3,3V-bus gaf mijn oscilloscoop 3,17V aan, ik nam niet de moeite om erachter te komen waar deze mee verbonden was. Als we 3,17 V delen door 4095, krijgen we de waarde 0,000774 V - dit is de deelprijs. Dat wil zeggen, nadat ik een resultaat van de ADC heb ontvangen, bijvoorbeeld 2711, vermenigvuldig ik het eenvoudig met 0,000774V en krijg ik 2,09V.
In onze taak is spanning slechts een “bemiddelaar”; we moeten deze nog steeds omzetten in ampère. Om dit te doen, moeten we 2,38 V van het resultaat aftrekken en de rest delen door 0,02 [V/A]. Het resultaat is deze formule:
Zwevende 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 bekijken:
Figuur 7 - Resultaten van meetgegevens van de sensor en hun verwerking
Ik heb het eigen verbruik van de schakeling gemeten, zoals je kunt zien 230 mA. Nadat ik hetzelfde had gemeten met een geverifieerde flux, bleek dat het verbruik 201 mA was. Nou, de nauwkeurigheid van één decimaal is al erg cool. Ik zal uitleggen waarom... Het bereik van de gemeten stroom is 0..100A, dat wil zeggen dat de nauwkeurigheid tot 1A 1% is, en de nauwkeurigheid tot tienden van een ampère is al 0,1%! En let op: dit is zonder enige circuitoplossingen. Ik was zelfs te lui om de voedingsfilters op te hangen.
Nu moet ik de kortsluitstroom (SC) van mijn stroombron meten. Ik draai de knop maximaal en krijg het volgende beeld:
Figuur 8 - Kortsluitstroommetingen
Nou ja, eigenlijk de metingen op de bron zelf met zijn eigen ampèremeter:
Figuur 9 - Waarde op de BP-schaal
In feite toonde het 3,09A, maar terwijl ik foto's maakte, werd de spoel warm en nam de weerstand toe, en de stroom daalde dienovereenkomstig, maar dit is niet zo erg.
Kortom, ik weet niet eens wat ik moet zeggen. Ik hoop dat mijn artikel op de een of andere manier beginnende radioamateurs zal helpen op hun moeilijke reis. Misschien vindt iemand mijn manier om het materiaal te presenteren leuk, dan kan ik periodiek blijven schrijven over het werken ermee diverse componenten. Je kunt je wensen over het onderwerp kenbaar maken in de reacties, ik zal proberen er rekening mee te houden.
Een stroommeetwaardeomvormer is een apparaat dat de huidige stroomtransformatoren en shunts kan vervangen. Wordt gebruikt voor controle en meting en is een uitstekende technische oplossing. Het ontwerp van het apparaat is gemaakt in overeenstemming met moderne methoden technische implementatie van apparatuur en manieren om de veelzijdigheid, het gemak en de betrouwbaarheid van het systeem te garanderen. Daarom zijn er meetomvormers ontwikkeld Russische fabrikant, worden elk jaar gebruikt er is veel vraag naar. Het scala aan mogelijke aanpassingen bevalt consumenten, omdat ze hierdoor de meest geschikte oplossing kunnen kiezen zonder te veel te betalen.
Wat is er speciaal aan stroomtransducers?
Het belangrijkste kenmerk van de stroommeetwaardeomvormer is zijn veelzijdigheid. Aan de ingang van het apparaat kunnen gelijkstroom, pulsstroom en wisselstroom worden geleverd. Om deze veelzijdigheid mogelijk te maken, hebben fabrikanten een apparaat ontwikkeld op basis van het Hall-principe. De converter maakt gebruik van een klein halfgeleidercircuit. Met zijn hulp wordt de grootte en richting van het magnetische veld van de stroom die aan de ingang van het apparaat wordt geleverd, bepaald. De Hall-effect-stroomomvormer is dus een uniek apparaat met hoge prestaties en functionaliteit.
Het apparaat is gemaakt in de vorm van een behuizing met een gat waardoor een stroomvoerende geleider wordt geleid. Voeding elektronisch circuit De omvormer wordt gevoed vanuit het lichtnet met een gelijkspanning van 15 volt. Er verschijnt een stroom aan de uitgang van het apparaat, die in waarde, richting en tijd verandert in directe verhouding tot de stroom aan de ingang. In dit geval kan een stroommeetomvormer op basis van het Hall-effect niet alleen worden gemaakt met een opening voor de uitgang van stroomvoerende geleiders, maar ook in de vorm van een apparaat dat bedoeld is voor installatie in een open circuit.
Ontwerpkenmerken van stroommeetwaardeomvormers
De contactloze stroommeetwaardeomvormer is uitgevoerd met galvanische scheiding tussen het stuurcircuit en het stroomcircuit. De converter bestaat uit een magnetische kern, een compensatiewikkeling en een Hall-apparaat. Wanneer stroom door de verzamelrails stroomt, wordt inductie geïnduceerd in het magnetische circuit en produceert het Hall-apparaat een spanning die verandert naarmate de geïnduceerde inductie verandert. Het uitgangssignaal wordt naar de ingang gevoerd elektronische versterker, en gaat dan naar de compensatiewikkeling. Hierdoor vloeit er een stroom door de compensatiewikkeling, die recht evenredig is met de ingangsstroom, terwijl de vorm van de primaire stroom volledig wordt herhaald. In wezen is het een stroom- en spanningsomvormer.
Contactloze AC-stroomomvormer
Meestal kopen consumenten stroom- en spanningssensoren voor driefasige wisselstroomnetwerken. Daarom hebben fabrikanten speciaal PIT-___-T-meetwaardeomvormers ontwikkeld met eenvoudiger elektronica en dienovereenkomstig een lagere prijs. De apparaten kunnen werken bij verschillende temperaturen, in het frequentiebereik van 20 tot 10 kHz. Tegelijkertijd hebben consumenten de mogelijkheid om het type uitgangssignaal van de omzetter te selecteren: spanning of stroom. Contactloze stroommeetwaardeomvormers zijn vervaardigd voor installatie op een ronde of platte rail. Dit breidt het toepassingsgebied aanzienlijk uit van deze apparatuur en maakt het relevant voor de reconstructie van onderstations met verschillende capaciteiten.
In 1879 voerde de Amerikaanse natuurkundige Edwin Herbert Hall, terwijl hij aan zijn proefschrift aan de Johns Hopkins University werkte, een experiment uit met een gouden plaat. Hij liet een stroom door de plaat lopen, plaatste de plaat zelf op het glas, en bovendien werd de plaat onderworpen aan een magnetisch veld dat loodrecht op het vlak was gericht, en dienovereenkomstig loodrecht op de stroom.
In alle eerlijkheid moet worden opgemerkt dat Hall zich op dat moment bezighield met de vraag of de weerstand van de spoel waardoor stroom vloeit afhangt van de aanwezigheid van een spoel ernaast, en als onderdeel van dit werk voerden wetenschappers duizenden experimenten. Als resultaat van het experiment met een gouden plaat werd ontdekt dat er een bepaald potentiaalverschil ontstond aan de zijkanten van de plaat.
Deze spanning wordt genoemd Hall-spanning. Het proces kan grofweg als volgt worden beschreven: de Lorentz-kracht leidt tot de accumulatie van een negatieve lading nabij de ene rand van de plaat, en een positieve lading nabij de tegenoverliggende rand. De verhouding van de resulterende Hall-spanning tot de grootte van de longitudinale stroom is een kenmerk van het materiaal waaruit deze is gemaakt specifiek onderdeel Hall, en deze hoeveelheid wordt "Hall-weerstand" genoemd.
Het dient als een redelijk betrouwbare methode om het type ladingsdragers (gat of elektron) in een halfgeleider of metaal te bepalen.
Op basis van het Hall-effect worden nu Hall-sensoren gemaakt, apparaten voor het meten van de magnetische veldsterkte en het bepalen van de stroomsterkte in een geleider. In tegenstelling tot stroomtransformatoren maken Hall-sensoren het mogelijk om gelijkstroom te meten. De toepassingsgebieden van de Hall-sensor zijn dus over het algemeen zeer uitgebreid.
Omdat de Hall-spanning laag is, is het logisch dat de Hall-spanning op de klemmen wordt aangesloten. Om verbinding te maken met digitale knooppunten, wordt het circuit aangevuld met een Schmitt-trigger en wordt een drempelapparaat verkregen dat wordt geactiveerd bij een bepaald niveau van magnetische veldsterkte. Dergelijke circuits worden Hall-schakelaars genoemd.
Vaak wordt een Hall-sensor gebruikt in combinatie met een permanente magneet, en de werking vindt plaats wanneer de permanente magneet de sensor op een bepaalde, vooraf bepaalde afstand nadert.
Hall-sensoren zijn vrij wijdverspreid in borstelloze of klepvormige elektromotoren (servomotoren), waarbij de sensoren rechtstreeks op de motorstator worden geïnstalleerd en de rol spelen van een rotorpositiesensor (RPS), die zorgt voor feedback afhankelijk van de positie van de rotor, ongeveer zoals de collector in een geborstelde gelijkstroommotor.
Door een permanente magneet op de as te bevestigen, krijgen we een eenvoudige toerenteller, en soms is de afschermende werking van het ferromagnetische deel zelf op de magnetische flux voldoende. De magnetische flux waaruit Hall-sensoren gewoonlijk worden geactiveerd, is 100-200 Gauss.
Geproduceerd door de moderne elektronica-industrie, hebben Hall-sensoren met drie terminals in hun behuizing npn-transistor met open collector. Vaak mag de stroom door de transistor van zo'n sensor niet groter zijn dan 20 mA, dus om aan te sluiten krachtige lading het is noodzakelijk om een stroomversterker te installeren.
Het magnetische veld van een stroomvoerende geleider is meestal niet intens genoeg om een Hall-sensor te activeren, aangezien de gevoeligheid van dergelijke sensoren 1-5 mV/Gauss is. Om zwakke stromen te meten, wordt de stroomvoerende geleider daarom omwikkeld. torusvormige kern met een opening en er is al een Hall-sensor in de opening geïnstalleerd. Dus bij een tussenruimte van 1,5 mm zal de magnetische inductie al 6 G/A bedragen.
Moderne sensoren stroom zijn onderverdeeld in de volgende typen:
— resistieve sensoren (stroomshunts);
— Hall-effect-stroomsensoren;
— stroomtransformatoren;
— glasvezelstroomsensoren (FOCS) op basis van het Faraday-effect;
- Rogowski-riem;
- stroomtangen
Elk heeft zijn eigen voor- en nadelen, die de reikwijdte van de toepassing ervan beperken.
| Stroommeetweerstanden | Stroomtransformatoren | Hall-sensoren | |
| Gemeten stroom | Constante | Variabel | Constant en variabel |
| Stroombereik meten | Tot 20 A | Tot 1000A | Tot 1000A |
| Meetfout | 1% | 5% | 10% |
| Galvanische isolatie | Nee | Er is | Er is |
| Invoegverlies | Er is | Er is | Nee |
| Frequentiebereik | 100 kHz | 50/60/400 Hz | 200 kHz |
| Relatieve kosten | laag | hoog | gemiddeld |
| Vereist externe voeding | Nee | Nee | Ja
Het grootste nadeel van een resistieve stroomsensor is de noodzaak om de sensor rechtstreeks op het meetcircuit aan te sluiten. Het grootste nadeel van de stroomtransformator is de meting van alleen wisselstromen met een industriële frequentie. Een stroomsensor gebaseerd op het Hall-effect heeft een aantal voordelen, waaronder de mogelijkheid om zowel gelijkstroom als wisselstroom te meten, en zijn kleine formaat. Hun belangrijkste voordelen zijn onder meer de afwezigheid van vermogensverliezen die in het systeem worden geïntroduceerd en een breed frequentiebereik. Het nadeel is de noodzaak externe bron voeding en temperatuurafhankelijkheid.
Stroomsensoren Allegro Microsystems
Allegro Microsystems is gespecialiseerd in het ontwerp en de productie van analoog-naar-digitaal stroomcircuits en stroomsensoren op basis van het Hall-effect. Voor het bereik van 5-200 A worden slimme microschakelingen aangeboden, en voor het bereik tot 1000 A en hoger worden lineaire microschakelingen met stroommeting op afstand aangeboden. De sensoren werken over een groter temperatuurbereik, waardoor ze kunnen worden gebruikt onder zware bedrijfsomstandigheden.
De belangrijkste toepassingsgebieden zijn de automobiel- en vermogenselektronica, industriële automatisering, apparatuur voor algemene doeleinden.
Werkingsprincipe
De sensoren bestaan uit een zeer nauwkeurige lineaire Hall-effectsensor geïntegreerd op de chip en een koperen geleider die dicht bij de chip is geplaatst. Elektrische stroom, dat door de geleider stroomt, creëert een magnetisch veld dat wordt gedetecteerd door een Hall-sensor en wordt omgezet in een spanning die evenredig is aan de waarde van de ingangsstroom.
Sensorbehuizingen
Voor de productie van 5-200 A-sensoren wordt flip-chiptechnologie gebruikt, wat een aantal belangrijke voordelen voor de ontwikkelaar oplevert:
— verhoogde gevoeligheid, de Hall-sensor bevindt zich zeer dicht bij de stroomgeleider
– hoge galvanische isolatie, tot 3600 V rms gedurende 60 seconden
— lage weerstand van het primaire circuit, minder dan 1 mOhm, verminderd vermogensverlies
— standaardbehuizingen voor opbouwmontage.
Sensoren voor het bereik van 50-200 A worden in een behuizing geproduceerd eigen ontwikkeling- SV. Deze behuizing bevat een koperen geleider en een analoge Hall-effectsensor en meet tot 200 A DC en tot 1200 A gepulseerde stroom. De sensoren zijn in de fabriek gekalibreerd, zijn bestand tegen doorslagspanningen tot 4800 V rms gedurende 60 seconden, bieden isolatie tot 700 V. V en versterkte isolatie tot 4500 B. De weerstand van de geleider bedraagt 100 mOhm, waardoor de IC's een ultralaag vermogensverlies hebben bij het meten van de maximale stroom.
Thermische compensatie
De huidige sensoren maken gebruik van gepatenteerde digitale thermische compensatietechnologie, die zowel de gevoeligheid als de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning aanzienlijk kan verbeteren werkpunt. Beide parameters worden in de laatste testfase in twee modi gemeten: kamertemperatuur en bij 85...150°C. Deze gegevens worden opgeslagen in het EEPROM-geheugen. Als gevolg hiervan hebben Allegro-sensoren een totale fout van ±1% in het bereik van 25...150°C. Deze kalibratie in een laat stadium elimineert de noodzaak van temperatuurkalibratie na PCB-montage.
Toepassing van stroomsensoren in elektrische aandrijvingen
Allegro stroomsensoren kunnen door de aanwezigheid van galvanische scheiding in diverse elektrische aandrijfunits worden toegepast goede parameters snelheid dV/dt.
Ze kunnen worden gebruikt voor het meten van DC-busstroom (1), fasestroom (2) of laagniveaustroom.
Door galvanische isolatie kunnen Allegro-sensoren worden gebruikt om de motorfasestroom rechtstreeks te meten. Dit vereenvoudigt de besturingseenheid en vermindert het geluid. De ACS710-, ACS711- en ACS716-sensoren hebben foutuitgangen die kunnen worden gebruikt om kortsluitingen of andere hoge stroomverschijnselen te detecteren.
Hoofdstroomsensoren voor elektrische aandrijvingen:
Stroomsensoren in eindversterkers
Correcte regeling van de eindversterker in basisstation of draagbare radio - de basis voor het juiste compromis tussen uitgangsvermogen en efficiëntie.
Biasstroom is sleutelparameter om de meeste eindtrappen te monitoren. Daarom biedt Allegro verschillende stroomsensoren om dit probleem op te lossen.
| ACS711 | 100 kHz stroomsensor in QFN/SOIC-pakket |
| ACS712 | 80 kHz stroomsensor in SOIC-pakket |
Voordelen van Allegro stroomsensoren
— de mogelijkheid om gelijkstroom, wisselstroom en combinaties daarvan te meten;— lage energieverliezen en, als gevolg daarvan, een lage warmteontwikkeling, kleinere afmetingen en de mogelijkheid om grote stromen te beheersen;
— ingebouwde galvanische isolatie
Hoge nauwkeurigheid, galvanische isolatie van het meetcircuit, thermische stabiliteit en kleine afmetingen maken de sensoren goede beslissing voor gebruik in de convertertechnologie, huishoudelijke, auto- en industriële elektronica.
Sensoren voor 0-50 A
| Serie | Sensortype | Voedingsspanning, V | Meetbereik, A | Isolatiespanning, Vrms | Bandbreedte, kHz | Tempo. bereik* | Woningtype |
| ACS709 | Bidirectioneel | 3.3, 5 | ±12 tot 75 | 2100 | 120 | L | QSOP-24 |
| ACS710 | Bidirectioneel | 5 | ±12 tot 75 | 3000120 | K | SOICW-16||
| ACS711 | Bidirectioneel | 3.3 | ±12,5 tot 25 | <100 В пост.тока | 100 | E, K | SOIC-8 QFN-12 |
| ACS712 | Bidirectioneel | p>5 | ±5 tot 30 | 2100 | 80 | E | SOIC-8 |
| ACS713 | Unidirectioneel | 5 | 20 tot 30 | 2100 | 80 | E | SOIC-8 |
| ACS714 | Bidirectioneel | 5 | ±5 tot 30 | 2100 | 80 | E, L | SOIC-8 |
| ACS715 | Unidirectioneel | 5 | 20 tot 30 | 2100 | 80 | E, L | SOIC-8 |
| Bidirectioneel | 3.3 | ±75 | 3000 | 120 | K | SOICW-16 | |
| ACS717 | Bidirectioneel | 3.3 | ±10 tot 20 | 4800 | 40 | K | SOICW-16 |
| ACS718 | Bidirectioneel | 6 | ±10 tot 20 | 4800 | 40 | K | SOICW-16 |
| ACS764 | Unidirectioneel | 3.3 | 16 of 32 | <100 В пост.тока | 2 | X | QSOP-24 |
Stroomsensoren 50-200 A
*Symbool van temperatuurbereik:
E = -40…85°C
K = -40…125°C
L = -40…150°C
S = -20…85°C
Notatiesysteem
ACS758 L CB TR-100 B-PFF-T
1 2 3 4 5 6 7
1. Serie
2. Temperatuurbereik:
E = -40…85°C
K = -40…125°C
L = -40…150°C
S = -20…85°C
3. Woningtype:
SV - gebouw SV
LC-SOIC-8
4. Verpakking:
niet aangewezen - in de etui
TR - op band
5. Bereik van gemeten stroom, A
6. Sensortype: B - bidirectioneel, U - unidirectioneel
7. Aanpassing van de behuizing voor sensoren 50-200A, bestaat uit een 3-letterige aanduiding:
De eerste letter is een plastic hoesje
De tweede letter is een stroomgeleider, S - recht, F - gebogen
De derde letter is terminals, S - recht, F - hoekig
Aanvullende informatie
