Czujniki do pomiaru prądu z efektem Halla

Rys. 1. Czujnik A136× firmy Allegro może być zamontowany w pierścieniu umieszczonym wokół przewodnika z prądem

W takich obszarach istnieje wiele obwodów, gdzie trzeba kontrolować wartość płynących prądów i nierzadko dotyczy to wielu instalacji będących na różnych potencjałach lub w innych sektorach zasilania czy obwodach fazowych sieci energetycznej. Takie warunki wymuszają pomiary za pomocą czujników z izolacją galwaniczną, co zapewnia bezpieczeństwo i brak problemów z niekontrolowanym przepływem prądu przez obwody pomiarowe znajdujące się na różnych potencjałach masy.

Jednocześnie z uwagi na charakter aplikacji i warunki rynkowe pomiar prądu musi być tani i realizowany bez konieczności poświęcania dużej ilości miejsca w obudowie, jak dzieje się to w przypadku przekładników prądowych stosowanych w energetyce. W tak nakreślonym obszarze zastosowań korzystnym wyborem są czujniki prądu z efektem Halla.

Elementy te pozwalają na pomiar prądu stałego i przemiennego w tym także obu składowych naraz z dobrą dokładnością i powtarzalnością w zakresie od pojedynczych miliamperów do setek amperów. Co więcej, są one niewrażliwe na chwilowe przeciążenia spowodowane np. prądem rozruchowym, co zapewnia pożądaną niezawodność. Dzięki separacji galwanicznej obwodu prądowego od reszty obwód pomiarowy nie jest także wrażliwy na przepięcia i stany nieustalone, które mogą pojawić się po stronie pierwotnej.

Rys. 2. Czujnik firmy Melexis przeznaczony jest do montażu na PCI i jego cechą charakterystyczną jest, że w odróżnieniu od innych, trakt prądowy może być umieszczony równolegle do struktury scalonej

Czujniki prądu z efektem Halla zawierają sensor (hallotron), który wykrywa pole magnetyczne powstające wokół przewodnika z płynącym prądem, i zamieniają go na proporcjonalną wartość napięcia. Różnica potencjału, zwana napięciem Halla, pojawia się między płaszczyznami ograniczającymi przewód z prądem, prostopadle do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek prądu i wektor indukcji pola magnetycznego, i bierze się na skutek działania siły Lorentza na ładunki poruszające się w polu magnetycznym.

Wadą czujników prądu wykorzystujących hallotrony jest ich zależność czułości od temperatury oraz nieczułość dla małych natężeń prądu, Mniejszym problemem jest ograniczone pasmo przetwarzania sygnałów, w jakich czujniki te można stosować oraz spore szumy. Wpływa to na dokładność pomiaru prądu w sytuacji, gdy prąd ma silnie odkształcony charakter (np. prostokątny kształt) i duża liczba harmonicznych nie może być przetworzona z uwagi na małe pasmo. Niemniej każda pojawiająca się nowość przynosi jakieś usprawnienia i z czasem te wady stają się coraz mniej dokuczliwe.

Przykładowe produkty

Rys. 3. Zasada pomiaru prądu z wykorzystaniem czujnika Halla

Najbardziej rozpoznawanym producentem takich czujników na rynku jest Allegro Microsystems, które poza samym halotronem w obudowie elementu integruje także wzmacniacz analogowy z przetwarzaniem (chopper-stabilized) z cyfrowo ustalanym wzmocnieniem i off setem. Pozawala to na korekcję parametrów w fabryce i mniejszy rozrzut.

Przykładowa rodzina czujników ACS756 charakteryzuje się zakresem pomiarowym 50 lub 100 A i czułością 20 lub 40 mV/A. Pierwotny obwód pomiarowy wykonany z płaskownika miedzianego ma tylko 100 µΩ, co zapewnia minimalne straty mocy nawet przy skrajnych wartościach mierzonych a także pomijalnie mały wpływ na obwód wynikający z wtrąconej rezystancji.

Jest on odporny nawet na pięciokrotne przeciążenia, a izolacja galwaniczna pomiędzy obwodem pierwotnym i wtórnym wytrzymuje 3 kV RMS. Czas odpowiedzi na pobudzenie skokiem wynosi 4 µs, co pozwala na stosowanie czujnika nawet przy kilku kilohercach.

Sensor zasilany jest napięciem 3-5 V, pracuje w zakresie temperatur -40°C ~ +85...125°C i ma dokładność rzędu 1%.

Drugim przykładem może być czujnik CQ-3301 firmy Asahi Kasei (AKM Semiconductor) wykonany z arsenku indu i przeznaczony do pomiaru prądów do 20 A z dokładnością 0,5%. Ma on wysoką czułość - 196 mV/A, stosunkowo szerokie pasmo 1 MHz i bardzo krótki czas odpowiedzi 0,5 µs. Atutem tego czujnika są też niskie szumy na wyjściu 1,6 mV. Czujnik pracuje w zakresie -40...90°C i wymaga zasilania napięciem 4,5-5,5 V (11 mA). Podobnie jak poprzednio tutaj także izolacja wytrzymuje 3 kV RMS i spełnia wymagania norm IEC/UL-60950 i UL-508 w zakresie bezpieczeństwa.

Trzeci czujnik wart uwagi to seria A136x firmy Allegro, który może mierzyć prąd do 1,5 kA, w paśmie 120 kHz i zakresie temperatur -40~150°C z dokładnością 1%. Z uwagi na duży prąd wymaga on specjalnego montażu z wykorzystaniem pierścienia ze szczeliną (rys. 1).

Producentem ostatniego przykładowego sensora MLX91205 jest firma Melexis. Ma on bardzo dobrą dokładność 0,2% i liniowość 0,05%, kosztem niestety pasma (100 kHz) i szybkości odpowiedzi (8 µs). Czujnik umieszczony jest w obudowie SOIC-8 SMD i wymaga montażu w szczelinie powietrznej w obwodzie pomiarowym lub na płytce przechodzącej obok chipa. Nie jest to zatem gotowe rozwiązanie do wlutowania, jak wymienione poprzednio, niemniej zaletą tutaj jest duża możliwość dopasowania parametrów obwodu pomiarowego (czułość, zakres, izolacja) do uwarunkowań aplikacyjnych.

Digi-Key Electronics Germany
www.digikey.pl