Датчик тока на элементе Холла

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Датчики

Опубликовано: 18.03.2017 13:57

Просмотров: 4158

Н. С АЛИМОВ, г. Ревда Свердловской обл.
Рассматриваемый в статье датчик может быть применен в любых устройствах, где требуется контролировать и измерять постоянный и переменный токи в гальванически изолированной от измерительного прибора цепи.

Функциональная схема датчика тока компенсационного типа приведена на рис. 1
 
 Чувствительный к магнитному полю элемент Холла находится в зазоре кольцевого магнитопровода. Измеряемый ток IИЗМ, протекая по обмотке I. создает в магнитопроводе магнитный поток, наводящий в чувствительном элементе Холла ЭДС, пропорциональную этому току. Снятый с элемента сигнал после усиления поступает на компенсационную обмотку II Протекающий по ней ток IK создает в магнитопроводе магнитный поток противоположного направления. Магнитная система, элемент Холла и усилитель образуют петлю отрицательной обратной связи, поддерживающую равенство
IИЗМ.WI = IK-WII,
где WI и WII — число витков обмоток I и II. Включенный последовательно с обмоткой II резистор R1 преобразует компенсирующий ток в выходное напряжение датчика. Если выбрать сопротивление этого резистора в омах численно равным отношению числа витков обмотки II к числу витков обмотки I, то выходное напряжение в вольтах станет численно равным измеряемому току в амперах
Габаритный чертеж использованного в датчике элемента Холла ДХК-0.5А изображен на рис. 2.
 
 Напряжение Холла, пропорциональное управляющему току и индукции магнитного поля, измеряют между выводами +U и -U. Чувствительность элемента при номинальном значении управляющего тока 3 мА (втекающего в вывод +I и вытекающего из вывода -I) — 280 мВ/Тл. Указанные полярность напряжения и направление тока соответствуют вектору магнитной индукции В, направленному, как показано на рис. 2 стрелкой. Остаточное выходное напряжение (в отсутствие магнитного поля) не превышает 7 мВ. Входное сопротивление (между выводами I) — 1.8...3 кОм, выходное (между выводами U) — не более 3 кОм.
Если имеется элемент Холла неизвестной чувствительности, ее можно определить экспериментально, поместив элемент в воздушный зазор длиной d любого магнитопровода, на котором намотано известное число витков W любого провода. К "токовым" выводам элемента подключают источник управляющего тока, а к двум другим — милливольтметр. По обмотке пропускают постоянный ток I. Чувствительность (мВ/Тл) — частное от деления показаний милливольтметра на магнитную индукцию, вычисленную по формуле
 
Схема датчика тока показана на рис. 3.
 
 Магнитная система изображена на ней как трансформатор Т1, в зазор магнитопровода которого вставлен элемент Холла В1. Усилитель собран на ОУ DA1 и транзисторах VT2, VT3. Стабилизатор тока на транзисторе VT1 задает протекающий через элемент Холла управляющий ток.
Для питания датчика необходим биполярный источник постоянного напряжения +/-15 В Основной потребитель его энергии обмотка II трансформатора Т1. В описываемой конструкции обмотки намотаны на ферритовом кольце от блока питания компьютера. Обмотка II - 1000 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0.15 мм. Поверх нее намотана обмотка 1—10 витков изолированного монтажного провода сечением 0,35 мм2. В кольце сделан воздушный зазор длиной 2 мм — она равна толщине вклеиваемого в зазор элемента Холла
Необходимо отметить, что магнитопровод не обязательно должен быть ферритовым, он может быть изготовлен из любого ферромагнитного материала. Оптимальная площадь сечения магнитопровода — 10... 12 мм2. Стремиться к увеличению сечения не следует. Это приведет к возрастанию длины витков компенсационной обмотки и, следовательно. ее сопротивления. По этой же причине для компенсирующей обмотки следует выбирать провод возможно большего диаметра.
Изготовленный датчик изображен на рис. 4, а его передаточная характеристика — на рис. 5
 
 
 Она была снята при измерении синусоидального тока частотой 50 Гц. По осям графика отложены эффективные значения тока и напряжения. В приборе отсутствовал резистор R4. что обеспечило коэффициент преобразования тока в напряжение 1 В/А, постоянный в интервале значений измеряемого тока 0,25...6 А.
Нарушение линейности характеристики при малом токе объясняется тем, что усилитель мощности на транзисторах VT2 и VT3 работает в классе В без начального смещения. Причина нелинейности при больших значениях тока — ограничение сигнала в ОУ К140УД7, в результате чего форма компенсирующего тока уже не совпадает с формой измеряемого и полноценной компенсации магнитных потоков в магнитопроводе не происходит.
Установив параллельно резистору R3 такой же резистор R4, удалось сделать характеристику линейной при измерении тока до 10 А. Однако коэффициент преобразования уменьшился до 0,5 В/А.
Радио №8, 2010