1. Мікросхеми з елементами Холла
2. Планарні датчики струму
3. Планарні датчики для слабких і сильних струмів
4. Мікросхеми планарних датчиків струму від Melexis
5. Демонстраційні проекти планарних датчиків струму від Melexis
6. Висновок
7. література

Інтегральні датчики струму, які здійснюють вимірювання в діапазоні від одиниць до тисяч ампер для різних видів струмів і типів провідників? Все, що вам потрібно - зовнішні магнітні екрани і інтегральні планарниє датчики струму, що випускаються компанією Melexis.

У сучасній техніці датчики струму грають дуже важливу роль. Вони можуть використовуватися для високоточних вимірювань в лабораторному устаткуванні або приладах обліку ресурсів, для організації зворотного зв'язку по струму в багатоконтурних системах управління, при забезпеченні захисту апаратури від аварійних перевантажень. Відповідно, до датчиків струму можуть пред'являтися різні комплекси вимог щодо їх робочих діапазонів, точності, стабільності, роздільної здатності, швидкодії, можливості вимірювань постійного струму, гальванічної розв'язки, умов застосування, масогабаритних характеристик, що розсіюється в силовому ланцюзі датчика і споживання на власні потреби, а також - за вартістю виготовлення і введення в експлуатацію. Тому широко використовуються різноманітні класи датчиків струму:

• на основі вимірювання падіння напруги на зразковому активному опорі при протіканні через нього контрольованого струму;
• з використанням трансформаторів змінного струму;
• на основі різних перетворювачів магнітного поля, створюваного струмом, в вихідний сигнал - напруга Холла, магнітозавісімое зміна опору, перемикання магнітокерованих контакту, поворот площини поляризації світла.

Оскільки домінуючою тенденцією для сучасної техніки є прагнення до мініатюризації рішень, зниження вартості володіння і розширенню універсальності застосування обладнання, все більш широке використання отримують датчики струму на основі мікросхем з інтегрованими елементами Холла.

Мікросхеми з елементами Холла

В рамках цієї концепції можливі два різні способи контролю струму. Перший, більш традиційний варіант передбачає установку мікросхеми з елементом Холла в порівняно тонкому немагнітному зазорі, який спеціально залишається у феромагнітного сердечника, що охоплює провідник з вимірюваним струмом. Варіанти компоновки такого датчика струму показані на малюнку 1.

Мал. 1. Датчик струму з мікросхемою Холла, встановленої в немагнітному зазорі сердечника, рас
покладеного навколо провідника

Важливі особливості цих датчиків:

• принципово необхідний феромагнітний сердечник, що охоплює провідник з контрольованим струмом;
• немагнітний зазор порівняно малий (2 ... 5 мм), не залежить від діапазону вимірюваних струмів (крім випадків дуже великого струму, що протікає) і визначається, в основному, товщиною корпуса мікросхеми з елементом Холла;
• сердечник забезпечує концентрацію магнітного поля вимірюваного струму і, одночасно, екранує більшість паразитних магнітних полів, зокрема, індукованих струмами, що протікають по іншим провідникам;
• вимірюється магнітне поле в зазорі сердечника направлено перпендикулярно до поверхні чіпа;
• магнітна індукція в зазорі (в зоні установки елемента Холла) майже не залежить від поперечного зміщення мікросхеми, але, з іншого боку, досить сильно залежить від товщини зазору;
• розміри сердечника досить великі (багато більше, ніж, наприклад, розміри магніточутливого мікросхеми);
• складно встановити датчик із замкнутим сердечником на провідник з вимірюваним струмом;
• паразитні параметри феромагнітного сердечника: магнітне насичення, магнітний гістерезис, вихрові струми при швидкому перемагничивании, температурна залежність характеристик - принципово обмежують досяжні властивості датчика струму.

Основне співвідношення, що визначає чутливість датчиків струмів з охоплює сердечником, обчислюється за формулою:

B = 1.25 × I / d

де B - індукція в зазорі (перпендикулярно поверхні чіпа), мТл;

I - вимірюваний струм (якщо сердечник охоплює один провідник), А;

d - товщина немагнітного зазору, мм.

Планарні датчики струму

Недоліки традиційної конструкції датчиків струму з феромагнітним сердечником, що охоплює провідник, стимулювали розробку нової концепції: планарних датчиків струму. Вони можуть бути виконані без зовнішнього феромагнітного сердечника, чутливі до дотичній складової індукції магнітного поля, паралельної поверхні чіпа, і мають інтегрований в мікросхему концентратор поля. Принцип роботи цих датчиків струму показаний на малюнку 2. Магнітне поле, створюване плоским або круглим провідником зі струмом, концентрується двома плоскими восьмикутниками з аморфного феромагнітного матеріалу, що має дуже високу магнітну проникність. У зазорі між ними встановлений датчик Холла. Залежно від геометричних розмірів концентраторів регулюється частка магнітного потоку, яку вони стягують на себе і підводять до зони, де розміщується елемент Холла. Таким чином, можуть бути створені датчики як для порівняно невеликих, так і для дуже великих струмів.

Мал. 2. Принцип вимірювання струму за допомогою планарного датчика без зовнішнього феромагнітного
сердечника

Мал. 3. Порівняльні розміри виконань
концентраторів зовнішнього магнітного поля для
мікросхем

Планарні датчики струму привабливі малими габаритами, фактично задаються розміром корпусу мікросхеми, і простотою їх установки поблизу провідника з вимірюваним струмом. Значне посилення магнітного поля концентратором дозволяє отримати досить хорошу чутливість датчика і велике відношення корисного сигналу до шуму. Разом з тим, відсутність феромагнітного сердечника визначає значний вплив паразитних магнітних полів від інших провідників і котушок зі струмом, а також від постійних магнітів. У деяких випадках перешкоди можна знизити до прийнятного рівня правильним взаємним розташуванням мікросхеми датчика, провідника з вимірюваним струмом і джерел паразитних магнітних полів. Якщо цього виявляється недостатньо, застосовують магнітні екрани. Фактично їх роль аналогічна сердечника в датчиках традиційної конструкції, але вимоги виявляються значно слабкіше, тому такі екрани мають досить просту форму, що не заважає установці датчика на провідник зі струмом і не сильно збільшує його розмір.

Планарні датчики для слабких і сильних струмів

Для використання планарних датчиків в широкому діапазоні контрольованих струмів випускається декілька виконань мікросхем з різною величиною концентраторів магнітного поля. На малюнку 3 показано приблизне співвідношення розмірів концентраторів у варіантів мікросхем для порівняно слабких струмів (для малої напруженості магнітного поля) - LF, для великих струмів і, відповідно, сильних полів - HF, і для дуже сильних полів - VHF. У мікросхем, оптимізованих для роботи в слабких магнітних полях, інтегрований концентратор збирає потік з більшого обсягу простору, що забезпечує найбільшу чутливість цих датчиків. При малих розмірах концентраторів (і однакових для всіх виконань властивості напівпровідникового чіпа) чутливість виходить менше. На малюнку 4 показані діапазони програмування чутливості у різних виконань мікросхем. З тих же причин у мікросхем, оптимізованих для роботи в слабких магнітних полях, магнітне насичення концентратора настає при меншій напруженості зовнішнього магнітного поля. Мікросхеми з меншими розмірами концентраторів зберігають досить високу лінійність відгуку навіть у порівняно сильних зовнішніх полях (малюнок 5).

Мал. 4. Діапазони програмування чутливості мікросхем для планарних датчиків струму

Мал. 5. Робочі діапазони (за величиною магнітної індукції зовнішнього поля) для різних
опцій мікросхем планарних датчиків

Мікросхеми планарних датчиків струму від Melexis

Мал. 6. Розрахункова схема планарного датчика
струму з плоским провідником, що не іспользующе-
го магнітний екран

Основні параметри мікросхем для планарних датчиків струму , Що випускаються компанією Melexis, представлені в таблиці 1. Є значний вибір виконань мікросхем по чутливості до величини зовнішнього магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом. У сукупності з різними варіантами застосування зовнішніх магнітних екранів-концентраторів поля і, при необхідності, з використанням многовіткових ланцюгів вимірюваного струму, це дозволяє створювати датчики для дуже широкого діапазону струму фактично на основі однієї і тієї ж мікросхеми. Крім того, дані таблиці 1 показують відчутний прогрес характеристик цього сімейства мікросхем Melexis. Поступово поліпшується доступний користувачеві діапазон чутливості, зменшується температурний дрейф нульового рівня і крутизни перетворення «магнітне поле струму - вихідна напруга», збільшується швидкодія датчика, розширюються допустимі робочі температури.

Таблиця 1. Мікросхеми Melexis для планарних датчиків струму

Параметри Найменування MLX91205 MLX91206 MLX91208 Чутливість *, мВ / мТл виконання VHF немає ні 30 ... 200 виконання HF 100 60 ... 330 50 ... 330 виконання LF 280 200 ... 700 100 ... 700 Межі температурного дрейфу чутливості,% ± 2 ± 1,5 ± 1 , 5 Межі дрейфу нульового рівня, мВ ± 50 ± 20 ± 10 Нелінійність ** ± 0,5 ± 0,5 ± 0,5 Час відгуку, МКС-8 8 3 Смуга пропускання, кГц 100 100 250 Аналоговий вихід є є є вихід з ШІМ немає є немає Програмування властивостей немає є є Контроль допустимого напруги живлення немає є є Програмування рівнів обмеження вихідного сигналу немає є немає Діа пазон робочих температур, ° С -40 ... 125 -40 ... 150 -40 ... 150 Корпус SOIC-8 SOIC-8 SOIC-8

* - Мікросхеми мають різні виконання за розмірами концентратора поля (LF, HF, VHF) і можливості програмування чутливості в заданому діапазоні. Мікросхеми MLX91205 мають два варіанти виконання з фіксованою чутливістю: AAL-003 (LF) з чутливістю 280 мВ / мТл і AAH-003 (HF) з чутливістю 100 мВ / мТл. MLX91206 має сім виконань: CAL-001 (LF) з номінальною чутливістю 580 мВ / мТл і діапазоном її програмування 460 ... 700 мВ / мТл; CAL-002 (LF) з номінальною чутливістю 380 мВ / мТл і діапазоном її програмування 300 ... 470 мВ / мТл; CAL-003 (LF) з номінальною чутливістю 250 мВ / мТл і діапазоном її програмування 200 ... 310 мВ / мТл; CAH-001 (HF) з номінальною чутливістю 270 мВ / мТл і діапазоном її програмування 210 ... 330 мВ / мТл; CAH-002 (HF) з номінальною чутливістю 170 мВ / мТл і діапазоном її програмування 130 ... 220 мВ / мТл; CAH-003 (HF) з номінальною чутливістю 110 мВ / мТл і діапазоном її програмування 80 ... 140 мВ / мТл; CAH-004 (HF) з номінальною чутливістю 77,5 мВ / мТл і діапазоном її програмування 60 ... 110 мВ / мТл. MLX91208 має три виконання: CAL-000 (LF) з номінальною чутливістю 250 мВ / мТл і діапазоном її програмування 100 ... 700 мВ / мТл; CAH-000 (HF) з номінальною чутливістю 100 мВ / мТл і діапазоном її програмування 50 ... 300 мВ / мТл; CAV-220 (VHF) з номінальною чутливістю 40 мВ / мТл і діапазоном її програмування 30 ... 200 мВ / мТл.
** - Нелінійність нормується в% від повної шкали вимірювання магнітної індукції.

Розрахункова схема планарного датчика струму, що не використовує додатковий магнітний екран, показана на малюнку 6. Індукція зовнішнього магнітного поля вимірюваного струму приблизно визначається наступним виразом:

B = 1.25 × I / (2 × W + 4 × H)

де B - магнітна індукція (силові лінії поля проходять відносно поверхні чіпа), мТл;
I - вимірюваний струм (якщо використовується тільки один виток провідника), А;
W - ширина плоского провідника з вимірюваним струмом, мм;
H - висота розташування концентраторів мікросхеми над провідником.

Формула дає орієнтовне значення індукції, і такий датчик в загальному випадку вимагає калібрування передавальної характеристики «ток - вихідна напруга» за місцем використання після його установки щодо провідника зі струмом. Порівняно велика довжина силових ліній магнітного поля, що проходять по повітрю, визначає знижену чутливість датчиків, які не використовують екран, а також сильний вплив паразитних джерел магнітних полів і власних помилок мікросхеми, наведених до вимірюваного струму.

Мал. 7. Планарний датчик струму на діапазон 300 ... 700 А з U-подібним екраном

Мал. 8. Розрахункова схема планарного датчика
струму з U-подібним екраном

При необхідності отримання поліпшених властивостей датчика струму доцільно використовувати магнітний екран-концентратор. Універсальним, збалансованим рішенням є U-образний екран (швелер) з феромагнітного матеріалу з досить високою магнітною проникністю, великий індукцією насичення і відповідними частотними властивостями. На малюнку 7 показано типове рішення для вимірювання струмів в діапазоні 300 ... 700 А з U-подібним екраном. Такий екран не створює проблем установки датчика на провідник з вимірюваним струмом, несуттєво збільшує габаритні розміри обладнання і при цьому більш ніж удвічі покращує його чутливість, зменшує вплив власних похибок мікросхеми на характеристики датчика і дуже серйозно послаблює вплив магнітних полів інших струмів. Спрощена розрахункова схема планарного датчика струму з U-подібним екраном показана на малюнку 8. Індукція зовнішнього магнітного поля вимірюваного струму приблизно визначається наступним виразом:

B = 1.25 × I / W

де B - магнітна індукція (силові лінії поля проходять по дотичній до поверхні чіпа), мТл;
I - вимірюваний струм (якщо використовується тільки один виток провідника), А;
W - відстань між бічними стінками U-образного екрану, мм.

Товщина стінок екрану залежить від величини вимірюваних струмів, відстані між бічними стінками і використовуваного матеріалу. У багатьох випадках хороші характеристики датчика досягаються при виготовленні екрана з средненікелевого пермаллоя, наприклад, сплаву Supra50. Інші розміри швелера (висота бічних стінок і довжина уздовж провідника) вибираються з міркувань адекватного захисту мікросхеми від паразитних магнітних полів і зазвичай складають 12 ... 15 мм. Для орієнтиру в таблиці 2 представлені раціональні параметри планарних датчиків струму з U-подібним екраном для трьох значень величини максимального вимірюваного струму: 250, 500 і 1000 А. Використання мікросхем Melexis дозволяє реалізувати компактні датчики для різних значень струму фактично з використанням одного і того ж типу мікросхеми.

Таблиця 2. Референтні параметри проектів планарних датчиків з U-подібним екраном

Піковий вимірюваний струм датчика, А Розміри U-образного екрану Пікова величина магнітного поля струму, мТл Параметри мікросхеми W - відстань між бічними стінками, мм Товщина стінок екрану, мм Виконання концентратора Чутливість, мВ / мТл 250 12 0,8 25 HF 80 500 12 1,5 50 VHF 40 1000 20 1,5 60 VHF 35

Використання магнітних екранів дозволяє досить просто реалізувати розв'язку певного датчика струму від паразитних магнітних полів, створюваних іншими струмами. На малюнку 9 показаний приклад побудови датчиків струму в трифазній системі. U-образні магнітні екрани концентрують (кожен - на свою мікросхему) поле, наведене струмом, що протікає в певній фазі, і шунтируют поля «чужих» фаз. Завдяки цьому, рішення виходить простим в проектуванні і монтажі, добре передбачуваним і стабільним. Також малюнок 9 ілюструє спільне концентрує дію зовнішнього U-образного екрану і інтегрованого в мікросхему концентратора поля, що стягають силові лінії магнітного поля в зону розташування датчика Холла.

Мал. 9. Організація контролю струмів у трифазній системі з використанням планарних датчиків
струму і U-образних екранів

Мал. 10. Варіант рішення, що забезпечує
розв'язку двох планарних датчиків струму, що не
використовують магнітні екрани

При необхідності Подальшого зниженя вартості решение и прійнятності Деяк погіршення точності роботи датчіків, могут застосовуватіся варіанти, Які НЕ Використовують магнітний екран. Як приклад на малюнку 10 показань способ розв'язки двох планарних датчіків Струму в багатофазної системе, что НЕ Використовують екрани. У Кожній фазі с помощью спеціальніх просечек на провідніках здійснюється локальний розворот напрямки вектора вімірюваного Струму почти перпендикулярно до глобального напрямку его протікання. Відповідно, и мікросхеми для вимірювання Струму, Встановлені Якраз в зоне локального повороту вектора Струму, розгорнуті на 90 ° относительно їх нормального Розташування для контролю Струму в даного провідніку. Завдяк цьом мікросхеми віявляються практично нечутлівімі до полів струмів фаз, что протікає вздовж провідників (мається только Невеликий залішковій сигнал, обумовлених похібкамі установки мікросхем на провідники в порівнянні з проектного Розташування). У поєднанні з просторово розняття (по довжіні провідників) Місць локальних поворотів струмів в різніх фазах, планарна датчик Струму певної фази почти НЕ відчуває магнітніх полів струмів других фаз: від поздовжніх струмів - оскількі мікросхема Розгорнутим до них перпендикулярно, а від локальних поворотів - оскількі розміри ціх ділянок малі и смороду знаходяться Досить далеко. Можуть бути й інші способи виділення корисного сигналу планарного датчика струму на тлі паразитних магнітних полів, наприклад, завдяки різниці в їх спектрах.

Демонстраційні проекти планарних датчиків струму від Melexis

Для прискорення проектування планарних датчиків струму і гарантованого досягнення досить високих характеристик Melexis пропонує користувачам типові розробки на найрізноманітніші діапазони вимірюваних струмів:

• Для вимірювання невеликих струмів 2 ... 10 А, що протікають по провідниках друкованої плати. При цьому демонструються варіанти рішень з багатовитковому котушками (3 або 6 витків), обтічними контрольованим струмом без використання магнітного екрану або з досить простим U-подібним екраном, в залежності від вимог до чутливості і точності датчиків. В якості альтернативного пропонується проект з одним витком струму і екраном більш складної С-подібної форми, який забезпечує високу концентрацію поля на мікросхему. При цьому користувача знайомлять з різними варіантами установки C-образного екрану на плату.
• Для вимірювання струмів на друкованій платі в діапазоні 10 ... 50 А. Використовується один провідник (виток) із застосуванням U-образного екрану або без нього. Відповідно, досягається коефіцієнт передачі планарного датчика 170 або 60 мВ / А.
• Для прямої установки друкованої плати з мікросхемою MLX91206 версії HF на плоску мідну шину 12х2 мм і використання U-образного екрану. При вимірюванні струмів до ± 250 А нелінійність передавальної характеристики не перевищує 1,5 А. Незважаючи на простоту і низьку вартість такого датчика, він забезпечує високу стійкість до паразитних магнітних полів, механічних вібрацій і зсувів мікросхеми.
• Для прямої установки на шину з струмом і вимірювань в діапазоні 300 ... 700 А. Датчик показаний на малюнку 7. Він забезпечує нелінійність менше 5 А в діапазоні вимірюваних струмів ± 650 А.
• Приклад двухдиапазонной розробки. На одній і тій же шині з струмом розташований планарний датчик на ± 5 А (С-подібний екран-концентратор, крутизна 400 мВ / А при похибки в межах 20 ... 25 мА) і датчик на ± 200 А (U-образний екран, крутизна 10 мВ / А при похибки в межах 200 мА). Завдяки компактності датчиків, не виникає проблем з їх розміщенням на шині, а висока перевантажувальна здатність по вимірюваній току забезпечує спільну роботу у винятково широкому діапазоні з високою відносною точністю при малих токах.
• Планарні датчики струму 10 ... 100 А для кабелів круглої форми.

Мал. 11. Планарний датчик струму ± 2 А з багато-
витковой котушкою вимірюваного струму і внеш-
ним магнітним екраном

Для вимірювання дуже малих струмів (до ± 2 А) можна використовувати багатовиткові котушки, виконані на ізольованому каркасі і обтічні контрольованим струмом. Вибором належної кількості витків в поєднанні з відносним розташуванням котушки і мікросхеми можна домогтися оптимальної чутливості (повне використання динамічного діапазону датчика при даному значенні максимального струму). Висока діелектрична міцність каркаса дозволяє конструювати датчики з великим допустимою напругою між ланцюгом вимірюваного струму і вихідним сигналом мікросхеми. При необхідності такий датчик може мати зовнішній магнітний екран для поліпшення чутливості і захисту від паразитних магнітних полів (малюнок 11).

Для випробування характеристик планарних датчиків струму компанія Melexis випускає демонстраційний набір DVK91206. Він містить три варіанти друкованих плат, на які можна розпаяти MLX91206. Плати дозволяють вибрати різну кількість витків, по яких протікає струм. У набір входять також сім мікросхем MLX91206 з різними варіантами чутливості (див. Примітки до таблиці 1) і три U-образних екрану. У сукупності набір дозволяє реалізувати значну кількість варіантів планарних датчиків струму і досліджувати їх характеристики.

Висновок

Компанія Melexis випускає серію мікросхем для реалізації високоякісних планарних датчиків струму, які мають комплекс привабливих характеристик. Комбінуючи різні варіанти цих мікросхем, що відрізняються розмірами інтегрованих концентраторів і програмно встановлюється чутливістю, і зовнішні магнітні екрани, можна реалізувати малогабаритні датчики струму в діапазоні від одиниць до тисяч ампер.

література

Current sensors reference design guide / Melexis // Application note, 07.2015, 23 pp