Вимірювання і контроль протікає струму є принциповою вимогою для широкого кола додатків, включаючи схеми захисту від перевантаження по струму, зарядні пристрої, імпульсні джерела живлення, програмовані джерела струму тощо. Один з найпростіших методів вимірювання струму -використання резистора з малим опором, - шунта між навантаженням і загальним проводом, падіння напруги на якому пропорційно протікає току. Незважаючи на те, що даний метод дуже простий в реалізації, точність вимірювань залишає бажати кращого, тому що опір шунта залежить від температури, яка не є постійною. Крім того, такий метод не дозволяє організувати гальванічну розв'язку між навантаженням і вимірником струму, що дуже важливо в додатках, де навантаження живиться високою напругою.

Малюнок 1.Модуль датчика струму ACS712.

Основні недоліки вимірювання струму за допомогою резистивного шунта:

• навантаження не має прямого зв'язку з «землею»;
• нелінійність вимірювань, обумовлена ​​температурним дрейфом опору резистора;
• відсутність гальванічної розв'язки між навантаженням і схемою вимірювання.

У статті ми розглянемо економічний і прецизійний інтегральний датчик струму Allegro ACS712 , Принцип його роботи, заснований на ефекті Холла, характеристики і спосіб підключення до мікроконтролеру для вимірювання постійного струму. Стаття розділена на дві частини: перша присвячена влаштуванню і характеристикам датчика, друга - інтерфейсу з мікро контролером і роботі з датчиком.

Датчик струму ACS712 заснований на принципі, відкритому в 1879 році Едвіном Холом (Edwin Hall), і названим його ім'ям. Ефект Холла полягає в наступному: якщо провідник з струмом поміщений в магнітне поле, то на його краях виникає ЕРС, спрямована перпендикулярно, як до напрямку струму, так і до напрямку магнітного поля. Ефект ілюструється Малюнком 2. Через тонку пластину напівпровідникового матеріалу, звану елементом Холла, протікає струм I. При наявності магнітного поля на рухомі носії заряду (електрони) діє сила Лоренца, викривляється траєкторію руху електронів, що призводить до перерозподілу об'ємних зарядів в елементі Холла. Внаслідок цього на краях пластини, паралельних напрямку протікання струму, виникає ЕРС, яка називається ЕРС Холла. Ця ЕРС пропорційна векторному добутку індукції B на щільність струму I і має типове значення порядку декількох мікровольт.

Малюнок 2.Ефект Холла.

Мікросхема ACS712 випускається в мініатюрному 8-вивідному корпусі SOIC для поверхневого монтажу (Малюнок 3). Вона складається з прецизійного лінійного датчика Холла з малим напругою зміщення і мідного провідника, що проходить біля поверхні чіпа і виконує роль сигнального шляху для струму (Малюнок 4). Протікає через цей провідник струм, створює магнітне поле, що сприймається вбудованим в кристал елементом Холла. Сила магнітного поля лінійно залежить від проходить струму. Вбудований формувач сигналу фільтрує створюване чутливим елементом напруга і підсилює його до рівня, який може бути визначений за допомогою АЦП мікроконтролера.

Малюнок 4.Внутрішня конструкція датчика струму ACS712.Видно U-образний мідний провідник проходить навколо елемента Холла.

На рисунку 5 показано розташування висновків ACS712 і типова схема його включення. Висновки 1, 2 і 3,4 утворюють провідний шлях для вимірюваного струму з внутрішнім опором порядку 1.2 мОм, що визначає дуже малі втрати потужності. Його товщина обрана такою, щоб прилад витримував силу струму в п'ять разів перевищує максимально допустиме значення. Контакти силового провідника електрично ізольовані від висновків датчика (висновки 5 - 8). Розрахункова міцність ізоляції становить 2.1 кВ с.к.з.

У низькочастотних додатках часто потрібно включити на виході пристрою простий RC фільтр, щоб поліпшити ставлення сигнал-шум. ACS712 містить внутрішній резистор RF, що з'єднує вихід вбудованого підсилювача сигналу зі входом вихідний буферної схеми (див. Малюнок 6). Один з висновків резистора доступний на виведення 6 мікросхеми, до якого підключається зовнішній конденсатор CF. Слід зазначити, що використання конденсатора фільтра призводить до збільшення часу наростання вихідного сигналу датчика і, отже, обмежує смугу пропускання вхідного сигналу. Максимальна смуга пропускання становить 80 кГц при ємності фільтруючого конденсатора дорівнює нулю. З ростом ємності CF смуга пропускання зменшується. Для зниження уровеня шуму при номінальних умовах рекомендується встановлювати конденсатор CF ємністю 1 нФ.

Чутливість і вихідна напруга ACS712

Вихідна напруга датчика пропорційно току, що протікає через провідний шлях (від висновків 1 і 2 до висновків 3 і 4). Випускається три варіанти токового датчика для різних діапазонів вимірювання:

• ± 5 А (ACS712-05B),
• ± 20 А (ACS712-20B),
• ± 30 А (ACS712-30A)

Відповідні рівні чутливості становлять 185 мВ / А, 100 мА / В і 66 мВ / A. При нульовому струмі, що протікає через датчик, вихідна напруга дорівнює половині напруги живлення (Vcc / 2). Необхідно зауважити, що вихідна напруга при нульовому струмі і чутливість ACS712 пропорційні напрузі харчування. Це особливо корисно при використанні датчика спільно з АЦП.

Точність будь-якого АЦП залежить від стабільності джерела опорного напруги. У більшості схем на мікроконтролерах як опорного використовується напруга живлення. Тому при нестабільній напрузі живлення вимірювання не можуть бути точними. Однак якщо опорною напругою АЦП зробити напруга живлення датчика ACS712, його вихідна напруга буде компенсувати будь-які помилки аналого-цифрового перетворення, обумовлені флуктуаціями опорного напруги.

Розглянемо цю ситуацію на конкретному прикладі. Припустимо, що для опорного напруги АЦП і харчування датчика ACS712 використовується спільне джерело Vcc = 5.0 В. При нульовому струмі через датчик його вихідна напруга складе Vcc / 2 = 2.5 В. Якщо АЦП 10-розрядний (0 ... 1023), то перетвореному вихідній напрузі датчика буде відповідати число 512. Тепер припустимо, що внаслідок дрейфу напруга джерела живлення встановилося на рівні 4.5 В. Відповідно, на виході датчика буде 4.5 В / 2 = 2.25 В, але результатом перетворення, все одно, буде число 512, так як опорна напруга АЦП теж знизилося до 4.5 В. Т очно також, і чутливість датчика знизиться в 4.5 / 5 = 0.9 раз, склавши 166.5 мВ / А замість 185 мВ / А. Як бачите, будь-які коливання опорного напруга не будуть джерелом помилок при аналого-цифровому перетворенні вихідної напруги датчика ACS712.

На рисунку 7 представлені номінальні передавальні характеристики датчика ACS712-05B при напрузі живлення 5.0 В. Дрейф вихідної напруги в робочому діапазоні температур мінімальний завдяки інноваційній технології стабілізації.

Малюнок 7.Залежність вихідної напруги ACS712-05B від вимірюваного струму при напрузі живлення 5.0 В і різних робочих температурах.

Частина 2 - Підключення датчика до мікроконтролеру і робота з ним