Pomiar natężenia prądu za pomocą czujników Halla

Jedną z głównych zalet pomiaru natężenia z wykorzystaniem czujników Halla jest izolacja galwaniczna pomiędzy badanym układem a obwodem pomiarowym. Dodatkowo rozwiązanie to, w przeciwieństwie do np. rezystorów bocznikujących, w żaden sposób nie wpływa na parametry i funkcjonowanie badanego obwodu.

Pomiar z wykorzystaniem bocznika

Aby docenić zalety korzystania z czujników Halla, warto przyjrzeć się innej, prawdopodobnie najpopularniejszej metodzie pomiaru prądu, czyli wykorzystaniu rezystora bocznikującego. W tego typu rozwiązaniu natężenie prądu określa się na podstawie pomiaru wartości napięcia odkładającego się na elemencie o znanej rezystancji (rezystor bocznikujący/bocznik) – zgodnie z prawem Ohma natężenie jest równe ilorazowi napięcia i rezystancji elementu. Rezystor bocznikujący może być podłączony do układu na dwa sposoby – od strony masy (low-side) lub wysokiego potencjału (high-side), tak jak pokazano na rysunku 1.

 

Rys. 1. Pomiar natężenia prądu z wykorzystaniem rezystora bocznikującego w konfi guracji low-side (po prawej) oraz high-side (po lewej)

W przypadku konfiguracji low-side obciążenie musi być połączone z masą układu przez bocznik, co w wielu sytuacjach może komplikować montaż obwodu. Konfiguracja high-side pozwala podłączać obciążenie bezpośrednio do masy systemu, która często jest łatwo dostępna (np. jako rama pojazdu) – w zamian za to wymagane są jednak dwa dodatkowe rezystory w układzie pomiarowym, pełniące funkcję dzielnika napięcia. Pomiar z wykorzystaniem rezystora bocznikującego jest dość prostym rozwiązaniem, wiąże się jednak z pewnymi problemami.

Spadek napięcia na elemencie pomiarowym. Rozdzielczość oraz dokładność pomiaru wzrastają wraz z rezystancją bocznika oraz wartością spadku napięcia na tym elemencie. Dla uzyskania zadowalających rezultatów zazwyczaj zaleca się taki dobór parametrów, aby uzyskać spadek napięcia na boczniku o wartości około 100 mV przy maksymalnym obciążeniu. Dla systemów zasilanych napięciem 5 V jest to 2% wartości napięcia zasilania.

Spadek napięcia na złączach rezystora bocznikującego. Przy wysokich wartościach natężenia prądu bocznik dołączony jest zazwyczaj do układu z wykorzystaniem śrub. Wnosi to dodatkową, niesprecyzowaną wartość rezystancji. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie bocznika – czwórnika z dodatkowymi wyprowadzeniami pomiarowymi (tzw. zaciski Kelwina). Takie elementy są jednak droższe, co zwiększa całkowity koszt układu.

Moc rozpraszana na boczniku. Dla dużych wartości natężenia prądu na elemencie pomiarowym rozpraszana jest znaczna moc. Przykładowo, dla prądu 100 A i rezystancji 1 mΩ na boczniku rozpraszana jest moc 10 W. Wymaga to stosowania odpowiednio dużych elementów, jak również zapewnienia właściwego sposobu odprowadzania ciepła z układu.

Zjawisko Halla

 

Rys. 2. Pole magnetyczne wytworzone wokół przewodnika, przez który płynie prąd

Odkryty w 1879 roku przez Edwina Halla efekt polega na występowaniu różnicy potencjału elektrycznego w umieszczonym w polu magnetycznym przewodniku Warunkiem pojawienia się tego zjawiska jest przepływ prądu przez przewodnik, zaś napięcie pojawia się w kierunku prostopadłym do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek przepływu prądu i wektor indukcji magnetycznej.

Czujnik Halla to układ pozwalający na pomiar pola magnetycznego z wykorzystaniem zjawiska Halla. Tego typu czujnik może zostać również zastosowany do pomiaru natężenia prądu. Przepływający prąd wytwarza wokół przewodnika pole magnetyczne, którego strumień indukcji magnetycznej zależny jest od wartości natężenia prądu. Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do wartości strumienia indukcji magnetycznej, zatem również i do natężenia prądu płynącego przez przewodnik.

Pomiar natężenia z wykorzystaniem czujnika Halla zapewnia całkowitą izolację galwaniczną toru pomiarowego względem badanego układu. Układ pomiarowy jest dzięki temu niewrażliwy na chwilowe obciążenia, przepięcia i stany nieustalone w układzie badanym. Tego typu rozwiązanie pozwala na pomiar zarówno składowej stałej, jak i zmiennej, nie wiąże się również ze spadkiem napięcia w badanym obwodzie.

Chociaż możliwe jest przeprowadzenie bezpośredniego pomiaru pola magnetycznego z wykorzystaniem czujnika Halla, w praktyce w celu wzmocnienia badanego sygnału i poprawy dokładności pomiaru korzysta się zazwyczaj z koncentratorów pola magnetycznego.

Koncentratory pola magnetycznego

Koncentratory pola magnetycznego to struktury wykonane z tzw. materiałów magnetycznie miękkich, takich jak np. stopy żelazowo-niklowe lub żelazowo-krzemowe. Materiały magnetycznie miękkie charakteryzują się dużą przenikalnością magnetyczną oraz niską wartością remanencji, czyli namagnesowania szczątkowego (pozostałego po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego). W koncentratorze materiał magnetycznie miękki otacza przewodnik, co pozwala na wzmocnienie strumienia pola magnetycznego w wybranym obszarze. Typowy współczynnik wzmocnienia osiągany z wykorzystaniem koncentratorów wynosi od 20 do 70. Koncentrator znacznie ułatwia również właściwe umieszczenie czujnika względem przewodnika – koncentratory przeznaczone do pomiaru natężenia prądu mają zazwyczaj odpowiednie miejsce pozwalające na precyzyjny montaż czujnika. Kolejną zaletą koncentratora jest możliwość połączenia czujnika Halla w konfiguracji closed-loop, co pozwala zwiększyć dokładność pomiaru.

 

Rys. 3. Koncentrator strumienia magnetycznego zamontowany wokół przewodnika. Czujnika Halla umieszczony jest w specjalnie przeznaczonym do tego otworze. Dalsze wzmocnienie pola magnetycznego osiągnąć można poprzez nawinięcie kilku zwojów przewodnika wokół koncentratora

Konfiguracja open-loop

W przypadku konfiguracji open-loop nie implementuje się mechanizmu sprzężenia zwrotnego – sygnałem wyjściowym jest sygnał pomiarowy z czujnika Halla umieszczonego w przeznaczonej do tego przestrzeni koncentratora. Aby zminimalizować wrażliwość systemu na błędy związane z nieprawidłowym umieszczeniem czujnika, przekrój poprzeczny rdzenia koncentratora powinien być przynajmniej równy powierzchni elementu pomiarowego, zaleca się zaś, aby był około dwukrotnie większy. Przy pomiarze prądów o natężeniu przekraczającym 10 A wystarczające jest zazwyczaj umieszczenie przewodnika wewnątrz koncentratora. W przypadku prądów o mniejszym natężeniu może być konieczne nawinięcie przewodnika wokół koncentratora, co pozwala wzmocnić pole magnetyczne generowane przez przewodnik. Uzyskane wzmocnienie jest wprost proporcjonalne do liczby nawiniętych zwojów.

Konfiguracja closed-loop

Podczas pomiaru w konfiguracji open-loop wartość błędu pomiarowego znacząco narasta w sytuacji skokowego przyrostu natężenia prądu. Duży prąd generuje silne pole magnetyczne powodujące pogorszenie charakterystyk koncentratora, takich jak liniowość oraz stabilność temperaturowa. Materiały, z których wykonuje się koncentratory, charakteryzują się najlepszymi i najbardziej stabilnymi właściwościami w obecności bardzo słabych pól magnetycznych, dla takich wartości najwyższa jest również bezwzględna dokładność czujnika Halla – minimalizowany jest wpływ błędów związanych z nieliniowością charakterystyki czułości sensora, znaczący pozostaje jedynie błąd off setu.

 

Rys. 4. W konfiguracji closed-loop przez dodatkowe uzwojenie przepływa prąd generujący przeciwstawne pole magnetyczne

W celu wykorzystania tych właściwości możliwe jest zbudowanie toru pomiarowego w konfiguracji closed-loop. W takim rozwiązaniu wokół koncentratora owinięte jest dodatkowe uzwojenie, przez które przepływa prąd wytwarzający pole magnetyczne przeciwstawne do pola generowanego przez badany przewodnik. Za pomocą odpowiedniego układu sterującego możliwe jest takie sterowanie natężeniem prądu w dodatkowym uzwojeniu, aby całkowity strumień pola magnetycznego mierzony przez czujnik Halla był zerowy lub bardzo zbliżony do tej wartości. Korzystnie jest, jeśli dodatkowy obwód ma dużą liczbę zwojów owiniętych wokół koncentratora, ponieważ pozwala to na wzmocnienie pola magnetycznego generowanego przez ten obwód. Przykładowo, 1000 zwojów uzwojenia dodatkowego pozwala na neutralizację prądu o natężeniu 1 A sygnałem prądowym o wartości 1 mA.

Wadą konfiguracji closed-loop jest niewątpliwie znacznie wyższa energochłonność, jak również ograniczony zakres pomiarowy, określany przez zdolności sterowania natężeniem prądu w dodatkowym obwodzie. Tego typu tor pomiarowy jest znacznie bardziej skomplikowany, dlatego wymaga zwrócenia większej uwagi na dodatkowe aspekty, jak np. dokładność i stabilność generowanego sygnału prądowego. Wymagana większa liczba elementów zwiększa ponadto koszt tego rozwiązania w porównaniu do konfiguracji open-loop.

Podsumowanie

Czujniki Halla pozwalają na zdalny pomiar natężenia prądu elektrycznego, bez konieczności ingerencji w funkcjonowanie badanego układu. Zapewniają izolację galwaniczną, dzięki czemu układ pomiarowy nie jest narażony na problemy związane z występowaniem sytuacji szczególnych, jak np. zwarcia, w obwodzie badanym. Dalszą poprawę wyników pomiaru osiągnąć można poprzez wykorzystanie koncentratorów pola magnetycznego. Do głównych wad tego rozwiązania zaliczyć można wrażliwość na zakłócenia oraz niską dokładność pomiaru dla niewielkich wartości natężenia prądu.

Damian Tomaszewski