Deși senzorii cu efect-Hall sunt utilizați cel mai frecvent pentru a detecta apropierea, poziția sau viteza țintelor mecanice, ei sunt utili și pentru detectarea curentului electric. Acest lucru se face indirect, prin măsurarea câmpului magnetic asociat debitului de curent. Înainte de a intra în detectarea magnetică a curentului, să vorbim despre tehnica mai frecvent utilizată de detectare rezistivă a curentului.

7.1 Detectarea rezistivă a curentului

Detectarea rezistivă a curentului exploatează căderea de tensiune asociată cu un curent electric care circulă printr-un rezistor, așa cum se arată în Fig. 7-1.

Fig. 7-1: Detectarea curentului cu un rezistor.

Tensiunea măsurată pe un senzor rezistiv de curent este proporțională cu curentul care trece prin rezistor și este dată de V = IR. Deoarece rezistoarele sunt ieftine și ușor disponibile într-o serie de forme, putere nominală și precizii (acuratețe de 0,1% și mai bune sunt ușor de obținut), detectarea rezistivă de curent este atât populară, cât și utilă în multe aplicații. Detectarea rezistivă de curent are totuși câteva dezavantaje. Printre cele mai semnificative sunt:

• Lipsa izolației electrice

• Tensiune de mod-comun

• Cădere de tensiune și pierdere de energie

Lipsa izolării electrice între circuitul de acționare și circuitul de măsură poate fi un dezavantaj major al tehnicilor de detectare a curentului rezistiv. Deoarece este necesară măsurarea tensiunii la bornele rezistorului, instrumentul de detectare a curentului trebuie să devină parte a circuitului monitorizat. Pentru unele aplicații, în special cele care funcționează la nivele joase de tensiune și putere, acest lucru nu poate fi o problemă. Dar, pentru alte aplicații, preocupările de siguranță vor face obligatoriu ca circuitul de măsurare să fie separat de circuitul de acționare. Acest lucru este adesea cazul în cazul monitorizării curentului în sisteme care funcționează la o tensiune de rețea (117/220 VAC) sau mai mare. Pentru a asigura izolarea unui senzor rezistiv de curent, este necesară adăugarea unor cantități semnificative de electronice.

Cerința de măsurare a tensiunii pe rezistor poate deveni, de asemenea, o problemă, mai ales dacă tensiunile la ambele terminale sunt semnificativ mai mari decât referința la masă a sistemului de măsurare. De exemplu, considerați un rezistor de detectare a curentului de 0,1 Ω pe o linie de 50V. Fiecare amper de curent va avea ca rezultat numai semnal de 0,1V pe rezistor. Pentru cazul 1A de curent, tensiunile la fiecare parte a rezistorului față de masa sistemului vor fi de 50V și 49,9V. Discriminarea acestui mic semnal diferențial (0,1 V) de un semnal de mod-comun (≈ 50V) poate fi o problemă dificilă de măsurare. O modalitate de a face față acestei situații este de a adăuga circuite de izolare electrică la sistemul de măsurare și de a permite ca o parte a sistemului de măsurare să "plutească" la tensiune mai mare. Aceasta este în esență ceea ce se întâmplă atunci când se utilizează un DVM portabil (voltmetru digital) pentru măsurarea curentului; electronica aparatului "plutește" până la nivelul tensiunii existente la bornele de intrare.

Căderea de tensiune și pierderea de energie asociată acesteia constituie cea de-a treia problemă majoră cu detectarea curentului rezistiv. Pentru a detecta curentul, trebuie să dezvoltați o cădere a tensiunii pe rezistor. Această cădere de tensiune este dată de I x R. Ceea ce constituie o cădere de tensiune acceptabilă este determinată de aplicație; de obicei cu cât mai mici, cu atât mai bine. Dar, pentru scopuri de acuratețe a măsurătorilor, se dorește în mod normal o cădere de tensiune cât de mică posibil. Prin urmare, proiectantul trebuie să facă compromisul adecvat între amploarea semnalului și gradul în care măsurarea interferează cu sistemul de măsurat.

Căderea de tensiune pe rezistorul de măsurare este, de asemenea, asociată cu disiparea energiei, sub formă de căldură. Disiparea puterii este dată de P= I²R și este semnificativă din două motive. Primul este că aceasta este o energie pierdută din sistemul sub măsură, iar pierderea ei are ca rezultat o eficiență redusă. Al doilea motiv este că suficientă putere disipată într-un rezistor va face acel rezistor încins și poate necesita măsuri speciale pentru a-l menține rece. Pentru detectarea valorilor mici de curent (100 mA), disiparea de putere a rezistorului nu poate constitui o preocupare majoră. Pentru curenți mai mari, cum ar fi cei care ar putea fi găsiți într-un încărcător de baterii sau într-o sursă de alimentare în comutație (>100 A), disiparea de putere într-un rezistor de detecție poate deveni literalmente o problemă de ardere.

Acum, că am discutat despre câteva dintre cele mai importante neajunsuri ale detectării rezistive de curent, putem vorbi despre detectarea magnetică a curentului. Principalul avantaj al detectării magnetice a curentului este că aceasta nu interferează cu circuitul în care este detectat curentul (cel puțin pentru curenții DC). Deoarece se măsoară câmpul magnetic în jurul unui conductor, nu există o conexiune electrică la acel conductor. Aceasta asigură izolarea electrică de circuitul monitorizat. Acest lucru înseamnă și că efectele de măsurare de mod-comun dispar, deoarece un senzor magnetic de curent nu are grijă la ce potențial de tensiune este linia măsurată, cu condiția, desigur, că se încadrează în limitele de siguranță proiectate ale ansamblului senzorului (de exemplu, izolația nu se străpunge). Deoarece o componentă rezistivă nu este adăugată în serie cu circuitul, nu există pierderi suplimentare de tensiune IR sau efecte de disipare a puterii I²R. Acest lucru permite ca senzorii magnetici de curent să fie utilizați pentru măsurarea nivelelor de curent ridicate, fără disipare excesivă a puterii.

7.2 Detectarea curentului în spațiul liber

Conceptual, un senzor de curent poate fi realizat prin plasarea unui senzor liniar cu efect-Hall în imediata apropiere a unui conductor care poartă curent. Senzorul trebuie să fie orientat astfel încât liniile de flux magnetic, care înconjoară conductorul, așa cum se arată în Fig. 7-2, să poată fi detectate.

Fig. 7-2: Detectarea curentului în spațiul liber din jurul conductorului.

Presupunând că numai spațiul gol înconjoară conductorul, conductorul are o secțiune transversală circulară și se extinde în linie dreaptă până la infinit în ambele direcții, magnitudinea câmpului detectat este dată de ecuația 7-1.

unde r este distanța de la linia centrală a conductorului la senzor.

Deși această schemă este simplă și elegantă, pot apărea mai multe dificultăți atunci când încercați să o implementați în lumea reală. În primul rând, nu obțineți prea mult câmp pentru o anumită cantitate de curent, cel puțin pentru distanțele macroscopice conductor-senzor. Un curent de 10 A dezvoltă doar aproximativ 2 gauss la o distanță de 1 cm. O consecință a acestui fapt este că senzorul va fi influențat de câmpuri externe. Considerând câmpul magnetic al Pământului de aproximativ 1/2 gauss, un senzor de curent implementat în acest mod (cu o distanță de 1 cm) ar putea suporta nu mai puțin de ± 2,5 A de eroare bazată doar pe direcția în care este îndreptat (nord-sud-est-vest). Deși este potențial util pentru senzorii de curent destinați măsurării curenților mari (sute sau mii de amperi), această abordare poate să nu fie potrivită pentru măsurarea curenților mai mici, unde câmpurile străine pot provoca erori semnificative de măsurare.

O a doua dificultate cu această schemă: este foarte sensibilă la erorile de poziționare între conductor și senzor. Aceasta devine adevărată mai ales atunci când separarea este mică. Pentru a realiza un senzor eficient de curent, este necesar să controlați cu strictețe poziția senzorului.

A treia dificultate este că sensibilitatea dată mai sus presupune existența unui "conductor infinit de lung, drept" (așa cum spun fizicienii). Din nefericire, nu puteți cumpăra acest tip de conductor nicăieri și probabil că va trebui să vă stabiliți pentru unul dintre soiurile scurte, îndoite, găsite în lumea reală. Geometria conductorului va avea un efect asupra senzitivității senzorului de curent. Aceasta este o veste proastă dacă conductorul poate schimba forma sau flexează după instalare și calibrare.

O situație în care este posibil să se depășească multe dintre aceste probleme este atunci când atât conductorul, cât și senzorul cu efect-Hall sunt montați rigid pe o placă cu circuite imprimate, așa cum se arată în exemplele ilustrate în Fig. 7-3. Folosind traseele PCB pentru a transporta curentul, este posibil să controlați strâns geometria conductorului și spațierea la senzor. Rețineți că senzorul cu efect-Hall nu este amplasat pe conductor, ci lângă acesta. Acest lucru se datorează faptului că fluxul magnetic imediat deasupra conductorului se desfășoară în paralel cu suprafața plăcii și, prin urmare, nu coincide cu axa sensibilă a senzorului. Totuși, fluxul circulă perpendicular pe placă dincolo de marginea conductorului, și acesta este locul în care trebuie amplasat senzorul, așa cum se arată în Fig. 7-3a.

Fig. 7-3: Senzori de curent pe plăci de circuite imprimate.

Când se face un senzor de curent pe bază de PCB, se poate folosi un număr de tehnici pentru a obține mai mult câmp per unitate de curent și pentru a crește sensibilitatea sistemului. Prima este să utilizați un traseu de PCB cât mai îngust posibil, cu manevrarea în siguranță a fluxului de curent așteptat. Liniile de flux care rezultă dintr-un curent dat au o traiectorie mai scurtă atunci când se învârt în jurul unui traseu îngust de PCB decât unul mai gros, rezultând un câmp mai mare pe unitate de curent. Rețineți că, pe măsură ce reduceți lățimea traseului PCB, rezistența sa crește și curentul nominal maxim admis va scădea. În plus, dacă încapsulați PCB-ul, curentul maxim care poate fi manevrat în siguranță poate varia considerabil în funcție de conductivitatea termică a materialului de încapsulare.

O altă tehnică de intensificare a fluxului constă în a forma o fundătură în care este introdus senzorul (Fig. 7-3b), care suprapune în mod eficient câmpurile de pe cele trei laturi pe senzor. Se poate extinde, de asemenea, această idee mai departe, și se creează bucle (Fig. 7-3c) în traseul PCB și se pune senzorul în mijloc. Această geometrie va necesita fie o placă cu două straturi, fie utilizarea unor jumperi. Fiți foarte precauți atunci când utilizați PCB obișnuite placate prin căi pentru a transporta curenți mari, deoarece pot avea rezistență relativ ridicată și devin predispuse la defectare atunci când transportă curenți mari.

Rețineți că, deoarece geometriile conductorilor din exemplele de mai sus s-au îndepărtat de idealul fizicienilor, magnitudinea câmpului nu mai este dată de Ec. 7-1. Datorită acestor geometrii mai complexe, sunt necesare analize cu element-finit (pe computer) sau analize matematice sofisticate (manual) pentru a prezice cu acuratețe câmpurile magnetice rezultate.

O altă problemă, semnalată anterior, care apare din utilizarea unor trasee de PCB pentru detectarea curentului, este că acestea au rezistență diferită de zero. În timp ce acest lucru are ca rezultat efecte de încălzire și impune limite termice la cât de mult curent poate fi manevrat în condiții de siguranță, rezistența excesivă poate, de asemenea, să interfereze cu procesul de măsurare. Dacă utilizați o lungime suficientă de traseu pe PCB, puteți adăuga o rezistență suficientă la circuitul purtător de curent pentru a interfera cu operarea acestuia și, în consecință, pentru a reduce acuratețea măsurătorilor de curent. Adăugarea rezistenței serie în circuitul de măsurare reduce unul dintre beneficiile principale ale utilizării senzorilor magnetici de curent.

Ca o notă finală, izolarea electrică poate deveni o problemă gravă cu senzorii de curent pe bază de PCB. Deoarece traseele de curent sunt în imediata apropiere a senzorului (și a electronicii de măsură asociate), diferențele de tensiune suficient de mari pot determina curgerea curentului între ele. Traiectoriile tipice de scurgere sunt prin substratul PCB (străpungerea izolației), pe suprafața PCB (conturnare) sau prin aer deasupra PCB (arc). Dacă siguranța, sau izolarea electrică, sunt o problemă atunci când implementați acest tip de senzor, consultați agențiile de siguranță relevante (de ex., UL, CSA, TUV) pentru a obține îndrumări și standarde pentru tehnicile de construcție potrivite pentru diverse medii și aplicații.

7.3 Senzori de curent în spațiul liber II

Deși utilizarea unui senzor cu efect-Hall plasat în apropierea unui conductor ca senzor de curent nu poate fi soluția cea mai practică pentru majoritatea problemelor de detectare-curent, ea poate fi utilă în aplicații unde nivele de curent foarte ridicate trebuie să fie detectate, iar geometria conductorului poate fi controlată. Creșterea eficienței modelelor potențiale necesită o analiză mai detaliată a unora dintre elementele fizice.

Ecuația 7-1, care descrie câmpul în jurul unui conductor, este un caz special al uneia dintre ecuațiile lui Maxwell. O relație mai fundamentală, valabilă pentru toate geometriile fluxului de curent și câmp magnetic (în spațiu gol), este dată de Ec.a 7-2.

Pentru a ilustra ce înseamnă acest lucru din punct de vedere fizic, luați în considerare Fig. 7-4a, în care un conductor cu curent de formă și mărime arbitrară este complet închis de o cale arbitrară în jurul acestuia. Singura constrângere este calea care trebuie să cuprindă complet tot curentul. Dacă cineva face un singur circuit al acestei căi, integrând câmpul magnetic tangent la direcția căii ca unul ce se deplasează de-a lungul, integrala câmpului va fi μoI.

Fig. 7-4: Integrarea fluxului în jurul unei căi închise (a) și aproximarea discretă (b).

Această integrală poate fi aproximată prin luarea unui număr mare de măsurători discrete la puncte distanțate uniform de-a lungul căii (Fig. 7-4b). Din nou, axa fiecărei măsurători trebuie să fie tangențială la cale în punctul în care este luată. Suma tuturor acestor măsurători este proporțională cu curentul închis de cale, indiferent de geometria curentului sau geometria căii. În plus, această măsurare agregată va fi relativ insensibilă la sursele de curent din afara căii senzorilor, cu condiția să se utilizeze suficiente puncte de măsurare.

Relația definită de Ec. 7-2 este exploatată de un senzor inductiv de curent, numit bobină Rogowski (Fig. 7-5), în care o bobină cu multe spire de sârmă este înfășurată pe un purtător lung și flexibil. Pentru măsurarea curentului, purtătorul este înfășurat o dată în jurul conductorului care transportă curentul, și o tensiune este citită de la bobină. Deoarece este inductivă, bobina Rogowski este utilă numai pentru măsurarea curentului AC. Din cauza flexibilității sale fizice, totuși, este foarte utilă pentru efectuarea măsurătorilor în locuri unde accesibilitatea fizică poate fi limitată.

Fig. 7-5: Senzor de curent alternativ cu bobină Rogowski.

Deși s-ar putea construi o versiune cu efect-Hall a unei bobine Rogowski, folosind un număr mare de senzori discreți cu efect-Hall în loc de bobină de sârmă, ar fi o propunere costisitoare; senzorii liniari buni, cu efect-Hall, costă considerabil mai mult decât firul de cupru. Unele beneficii ale conceptului inel-de-senzori pot fi obținute și prin utilizarea a doar câteva dispozitive. Considerați exemplul prezentat în Fig. 7-6, unde patru senzori sunt plasați de-a lungul unui cerc de rază r la trepte de 90°. Rețineți că orientarea și polaritatea fiecărui senzor sunt aranjate să asigure un răspuns pozitiv la fluxul magnetic care curge în sens orar.

Fig. 7-6: Senzor de curent în spațiul liber folosind patru dispozitive cu efect-Hall.

Deși patru senzori nu vor oferi o aproximație foarte apropiată de integralele de contur ale Ec. 7-2, ei fac un senzor de curent relativ insensibil la poziția conductorului, cel puțin în comparație cu cazul în care se folosește un singur senzor. Presupunând conductorul central circular, infinit de lung și drept, se poate deduce o expresie analitică (Ec. 7-3) pentru fluxul total detectat de cei patru senzori ca funcție de poziția conductorului.

Fiecare dintre termeni reprezintă câmpul tangențial văzut de fiecare dintre cei patru senzori. Deși Ec. 7-3 este o soluție în formă închisă, ea nu oferă multă intuiție în comportamentul sistemului. Fig. 7-7, un grafic al valorii lui BT ca funcție de x și y, dă un pic mai multă înțelegere.

Când conductorul este situat în apropierea centrului celor patru senzori, răspunsul este relativ uniform; este de ± 2% la o rază de 0,4r. Atunci când se mișcă conductorul în apropierea oricăruia dintre cei patru senzori, răspunsul crește în mod dramatic. Când se părăsește cercul, acesta scade în mod egal dramatic spre zero. În plus, luați în considerare efectul unui câmp uniform, impus extern pe sistem. Câmpurile uniforme străine detectate de oricare senzor vor fi anulate prin măsurarea de la senzorul de pe cealaltă parte a inelului. Chiar și în cazul câmpurilor neuniforme externe (cum ar fi obținut de la un magnet din apropiere), senzorii opuși vor oferi deseori o anulare.

Fig. 7-7: Răspunsul senzorului de curent cu patru sonde în funcție de poziția conductorului.

Pentru a ilustra acest tip de senzor, considerați patru senzori liniari A1301, cu efect-Hall, plasați pe un inel cu diametrul de 2,5cm, montați pe o PCB pentru a fixa pozițiile acestora (Fig. 7-8a). Este prevăzut un orificiu de 1 cm pentru a trece un conductor. Ieșirile sunt legate între ele prin rezistoare de 10 kΩ, astfel încât acestea să fie mediate împreună (Fig. 8-8b). Un condensator de 0,1 μF este inclus pentru decuplarea sursei de alimentare.

Fig. 7-8: Exemplu de senzor inel. Aspect fizic (a), schematic (b).

Dacă se presupune că conductorul este centrat în inel, curentul-per-unitate-câmp, văzut de toți cei patru senzori, va fi egal și este dat de:

Legarea ieșirilor împreună prin rezistoare are efectul de a le media, deci sensibilitatea generală a acestui senzor este aceeași cu media sensibilităților individuale ale A 1301, nominală 2,5 mV/G. Înmulțirea cu câștigul magnetic al circuitului conferă o sensibilitate generală de:

Deoarece A 1301 va furniza o ieșire liniară pentru câmpuri pe gama aproximativă de ± 800 gauss, acest ansamblu de senzori de curent va putea măsura curentul pe o gamă de intrare maximă de ± 5000A (800G/(0,16G/A)). Deoarece am folosit doar patru senzori pentru a aproxima o integrare adevărată, va exista o sensibilitate semnificativă la curent în afara inelului (așa cum este indicat mai sus), iar forma și traseul conductorului care trece prin inel vor influența sensibilitatea măsurată în volți/amperi.

7.4 Senzori toroidali de curent

Deoarece senzorii de curent în spațiu liber suferă de problemele duale de lipsă de sensibilitate și de susceptibilitate la interferențe exterioare, nu sunt adesea cea mai bună alegere pentru majoritatea aplicațiilor. Din fericire, există un mod simplu de a face senzori de curent extrem de sensibili care sunt foarte imuni la interferențe externe. Acest lucru se realizează prin plasarea unei căi de flux cu permeabilitate ridicată în jurul conductorului pentru a concentra fluxul la senzor. Deși pot fi utilizate mai multe structuri pentru a îndeplini această funcție, concentratoarele de flux toroidal sunt utilizate în mod obișnuit în acest scop, și deci justificabil de supus unor analize simple.

Atunci când se plasează un toroid cu permeabilitate ridicată în jurul unui conductor care poartă curent, fluxul care circulă în jurul toroidului poate fi semnificativ mai mare decât cel din spațiul din jurul acestuia. Când conductorul este centrat în toroid, prezența toroidului nu va modifica forma câmpului (circulară, așa cum se arată în Fig. 7-9a), dar va determina o creștere semnificativă a densității fluxului (Fig. 7-9b) atunci când ceva intră în interiorul toroidului.

Fig. 7-9: Câmp magnetic în și aproape de toroid (a) și profilul de intensitate (b).

Pentru un toroid construit dintr-un material magnetic liniar idealizat, unde μr este constant în raport cu fluxul magnetic, câmpul din toroid poate fi calculat prin:

unde r este raza toroidului în punctul de interes și μr este permeabilitatea relativă a toroidului. Permeabilitatea relativă a materialului poate fi considerată ca fiind cât de bine poate "conduce" un câmp magnetic în comparație cu spațiul liber.

Când permeabilitatea relativă a toroidului este foarte mare (> 100-1000), câmpul din toroid devine mai puțin dependent de plasarea exactă a conductorului. Acest lucru se întâmplă din două motive. În primul rând, densitatea fluxului magnetic nu poate scădea brusc fără a fi divergentă. Asta înseamnă că fluxul care circulă în jurul toroidului este constrâns să curgă în jurul toroidului; în cea mai mare parte nu poate lua o scurtătură prin aer în mijloc. O cantitate mică de flux face acest lucru, dar, cu cât este mai permeabil toroidul, cu atât mai mică este partea de flux de scurgere care scapă (exagerată în Fig. 7-10). Acest efect de reținere determină fluxul să fie mai mult sau mai puțin uniform în toroid, cu o intensitate mai mare în apropierea diametrului interior.

Fig. 7-10: Curentul în afara centrului determină fluxul de scurgere să scape de toroid.

Deoarece fluxul magnetic este limitat la o cale, integrala fluxului trebuie să fie proporțională cu curentul înconjurat de această cale. Acest lucru face fluxul independent de plasarea sau geometria curentului, atâta timp cât trece prin centrul toroidului.

7.5 Analiza toroidului crestat

Analiza anterioară a descris modul în care câmpurile magnetice se comportă într-un toroid închis cu permeabilitate ridicată. Pentru a măsura câmpul magnetic, totuși, este necesar ca un senzor să fie introdus în traseul fluxului. Acest lucru se poate face cel mai ușor prin tăierea toroidului, încât să devină o structură în formă de C. Această fantă trebuie să fie tăiată toată prin toroid (Fig. 7-11a), fluxul va tinde să caute calea cea mai scurtă prin secțiunea netăiată și să evite sărind peste spațiul gol (Fig. 7-11 b).

Fig. 7-11: Moduri preferate (a) și nepreferate (b) de a cresta un toroid.

Deoarece fluxul trebuie să fie continuu pe măsură ce traversează fețele toroidului care formează golul, acesta trebuie să fie același cu fluxul din interiorul toroidului. În realitate, fluxul va devia (fringe) deoarece va trece prin interstițiu, astfel încât intensitatea va scădea puțin. Dacă lungimea interstițiului este scurtă în comparație cu dimensiunile liniare ale fețelor interstițiului, această scădere va fi relativ mică. Dimpotrivă, intensitatea câmpului poate scădea semnificativ dacă lățimea interstițiului este mare în comparație cu dimensiunile feței interstițiului. Când lățimea spațiului (g) este mică comparativ la circumferința toroidului (g << 2πr), fluxul poate fi aproximat prin:

În plus, dacă gμr >> 2πr, cum este adesea cazul unui toroid cu permeabilitate ridicată, atunci expresia poate fi simplificată în continuare la:

Acest rezultat înseamnă că, dacă permeabilitatea materialului toroid este suficient de mare, cantitatea de flux în toroid este controlată de lățimea spațiului g.

O altă modalitate de a descrie eficacitatea toroidului la convertirea curentului în câmp magnetic este prin câștigul său magnetic (AM) exprimat în gauss/amper. Din Ec. 7-8, câștigul unui toroid de lățime a spațiului g poate fi exprimat:

Mai mulți producători produc toroizi cu fante ca elemente standard pentru aplicații detectoare de curent, cu lățimi de interstițiu de 0,062" (= 1,5 mm), această lățime acceptă mai multe tipuri de pachete IC cu efect-Hall disponibile comun. Din Ec. 7-9 se așteaptă la un câștig de 8,4 gauss per amper. În practică, din cauza permeabilității finite, a scurgerilor de flux și a efectelor de fringing în interstițiu, se poate aștepta, de obicei, să se vadă câștiguri magnetice reale care variază oriunde de la 6-8 gauss per amper.

7.6 Selectarea și problemele materialului toroid

Deși tocmai am terminat de arătat că lățimea interstițiului este factorul dominant în sensibilitatea unui toroid de concentrare-flux, există multe aspecte materiale care trebuie abordate pentru a obține un senzor de curent pentru a se comporta conform destinației.

Caracteristicile magnetice ale materialelor magnetice "moi" folosite pentru toroizii senzorilor de curent pot fi descrise de o curbă B-H, la fel ca și materialele magnetului permanent. Diferența majoră este că, pentru materialele magnetice moi, suntem mai interesați de caracteristicile cadranului I decât de cele din cadranul II. Curba B-H pentru un material "tipic" miez de ferită este arătată în Fig. 7-12.

Fig. 7-12: Curba B-H a materialului magnetic moale.

Unele dintre caracteristicile cheie care pot fi deduse din această curbă sunt permeabilitatea relativă (μr), fluxul remanent (Br), coercivitatea (Hc) și fluxul de saturație (Bsat). Permeabilitatea relativă descrie relația dintre cât de multă forță coercitivă (H) este aplicată materialului, și cât de multă densitate de flux (B) va fi indusă în material.

Rețineți că atunci când B se apropie de Bsat, permeabilitatea efectivă va începe să scadă, pe măsură ce crește în H nu va mai produce creșteri comparabile în B.

Odată ce materialul a ajuns în saturație și câmpul îndepărtat, el va păstra o anumită densitate de flux remanent Br în absența oricărei forțe coercitive. Rețineți că acest flux remanent va apărea doar într-un circuit magnetic închis compus din material, cum ar fi un toroid continuu. Tăierea unei fante în toroid va întrerupe această cale și va reduce foarte mult densitatea fluxului. Acesta este motivul pentru care un toroid crestat cu un Br specificat de câteva sute de gauss va expune doar un câmp de fracțiune de gauss în fantă.

După ce materialul a fost saturat în direcția pozitivă, este necesară o cantitate mică de forță coercitivă negativă H pentru a conduce fluxul B înapoi la zero. Această cantitate de forță coercitivă este denumită Hc, coercitivitatea materialului și este caracterizată în oersted (Oe). Pentru un material de ferită moale, care ar putea fi potrivit pentru un toroid senzor de curent, unde se dorește ca fluxul să se întoarcă cu ușurință la zero, sunt de dorit coerciții foarte mici (< 1 Oe). Acest lucru este în contrast cu coercitivitățile foarte mari (> 10.000 Oe) găsite în multe materiale magnetice permanente, unde se dorește ca materialul să rămână magnetizat permanent, în ciuda câmpurilor externe.

Pentru majoritatea aplicațiilor de detectare a curentului, se va selecta un material cu o densitate a fluxului de saturație semnificativ mai mare decât densitățile fluxului pe care le va vedea în exploatare. Acest lucru se datorează faptului că saturația începe să apară treptat în multe materiale, permeabilitatea începând să scadă, pe măsură ce nivelele de flux cresc peste un anumit punct. Acest efect se va manifesta ca erori de câștig și de neliniaritate în ansamblul senzorului final. În unele cazuri, producătorii de toroizi vă vor face viața mai simplă în acest departament prin specificarea numărului maxim de amperi-spiră care pot fi aplicați unui toroid dat înainte de a începe să se satureze. O problemă care se bazează pe măsurarea amperilor-spire maxime este că numărul furnizat poate reprezenta o operare suficient de sus până la curba de saturație pentru a provoca erori de linearitate inacceptabile în aplicația dvs.

Permeabilitatea, de asemenea, poate varia semnificativ cu temperatura. Principala preocupare aici este că permeabilitatea nu scade până în măsura în care începe să afecteze cantitatea de flux produsă în toroid. Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea de materiale care prezintă cel puțin o permeabilitate minimă pe condițiile de operare în care vă veți opera senzorul de curent.

7.7 Creșterea sensibilității cu spire multiple

Există trei moduri de a obține o sensibilitate mai mare dintr-un senzor de curent toroidal. Primul este de a utiliza un traductor magnetic mai sensibil. Al doilea este de a utiliza un interstițiu mai îngust (și un traductor mai subțire pentru a se potrivi). În cele din urmă, cea mai simplă metodă din toate este de a bucla conductorul prin toroid de mai multe ori. Trecerea unui conductor prin care circulă I amperi prin toroid de N ori produce curentul total NI ce trece prin toroid.

O întrebare frecventă este cum se numără spirele. Răspunsul la o primă aproximare este destul de simplu. O spiră este trecerea conductorului prin centrul toroidului. În mare măsură, nu contează ce faceți cu firul în altă parte. Din acest motiv, spirele apar numai ca numere întregi; nu puteți avea o jumătate de spiră. Datorită caracteristicilor neideale ale oricărui circuit magnetic al senzorului de curent, acest lucru nu este complet adevărat; plasarea conductorului poate și are un mic efect asupra sensibilității unui senzor de curent. În multe, dacă nu în majoritatea situațiilor, totuși, se va constata că numărarea spirelor ca sârme ce trec prin toroid va da rezultate acceptabile.

7.8 Exemplu de senzor de curent

Deoarece detectarea curentului este o aplicație populară pentru senzorii liniari cu efect-Hall, mulți furnizori livrează componente gata de utilizare adecvate pentru implementarea lor. Acest lucru face ca dezvoltarea senzorilor de curent simpli să fie relativ simplă.

Fig. 7-13: Fotografie a senzorului de curent prototip, neasamblat și asamblat.

Figura 7-13 prezintă atât vedere neasamblată cât și asamblată a unui senzor de curent prototip. Pentru a finaliza o unitate, tot ce este necesar este să "acoperiți" toroidul și senzorul cu un material adecvat de încapsulare. Toroidul este model TX22/14/6.4-3C81, Philips, de circa 7/8" în diametru, realizat dintr-un material (3C81) cu o permeabilitate de aproximativ 3000 și liniaritate bună până la aproximativ 800 gauss. În toroid, a fost tăiat un interstițiu de 0,062", astfel încât va oferi aproximativ 6-8 gauss/ampere-spiră, și va oferi o funcționare liniară până la aproximativ 100-120 amperi-spiră. Senzorul cu efect-Hall este un Allegro Microsystems A1373, care oferă o ieșire liniară cu o sensibilitate care poate fi programată de la 0 la 7 mV/G.

Chiar și carcasa este gata-de-utilizare, fabricată de Robison Electronics special pentru aplicațiile senzor-de-curent. Dacă senzorul cu efect-Hall este programat la o sensibilitate de 5 mV/G, acest senzor de curent va avea un câștig de aproximativ 30 mV/A, cu puncte de saturație de aproximativ ±80A, limitate de caracteristicile de saturație ale ieșirii senzorului cu efect-Hall.

Prin alegerea unui senzor programabil, cum ar fi A1373, acest ansamblu poate fi reglat la fabricație la un grad ridicat de uniformitate atât în ​​ceea ce privește câștigul global, cât și eroarea de offset.

7.9 Senzor de curent digital

Deși am discutat numai despre senzorii de curent cu ieșire liniară la acest punct, este de asemenea posibil ca senzorii de curent să furnizeze o ieșire logică ON/OFF dacă este depășit un prag de curent. Prin punerea unui senzor digital cu efect-Hall comutat în interstițiul toroidului, se poate face un senzor de curent sensibil la prag. Acest senzor comută ON când curentul depășește un anumit prag (IOP) și comută OFF atunci când curentul scade sub un prag inferior (IRP). Când este construit cu un comutator cu efect-Hall cu puncte de operare și eliberare BOP și BRP senzorul de curent rezultat va avea puncte IOP și IRP date de:

unde AM este câștigul magnetic (gauss/amper) al toroidului.

De exemplu, dacă un comutator digital cu efect-Hall cu un BOP de 200 gauss și un BRP de 150 gauss a fost utilizat cu un toroid cu un câștig de 6 gauss/amper, ansamblul rezultat ar comuta ON (operează) când curentul a depășit (200/6) = 33,3A și comută OFF (eliberat) atunci când curentul a scăzut sub (150/6) = 25A. Rețineți că, deoarece polaritatea fluxului magnetic în toroid va fi proporțională cu polaritatea curentului, acest dispozitiv va comuta numai ON ca răspuns la curentul de o polaritate dată.

Deoarece majoritatea comutatoarelor cu efect-Hall au o gamă destul de largă de puncte BOP/BRP de la unitate la unitate, ar fi dificil să se facă dispozitive cu praguri de curent controlate strâns. Pentru această aplicație, un comutator cu efect-Hall cu puncte BOP/BRP programabile, cum ar fi Allegro Microsystem's A3250, vă va permite să reglați fiecare senzor pe bază de unitate-cu-unitate în producție pentru a furniza curenți uniformi în punctul de declanșare.

7.10 Senzori de curent integrați

După cum am arătat în secțiunea 7.5, factorul principal care controlează sensibilitatea unui senzor toroidal de curent cu efect-Hall este lățimea interstițiului în care este introdus senzorul. Cele mai multe dispozitive integrate disponibile în comerț tind să aibă o grosime a pachetului variind de la 0,050" până la 0,060". Acest lucru limitează cantitatea maximă de câmp care poate ieși din toroid la aproximativ 8-10 gauss pe amper-spiră.

Matrița de siliciu real pe care sunt fabricate senzorul și electronica este de ordinul 0,010" grosime. Dacă ar fi posibil să se renunțe la ambalarea dispozitivului, ar fi posibil să se realizeze senzori de curent mult mai sensibili. Manevrarea plăcuțelor goale, totuși poate să fie dificilă, deoarece acestea tind să fie fragile, sensibile la contaminare și necesită echipamente specializate special pentru a atașa interconexiunile. Din aceste motive nu va fi practic pentru majoritatea producătorilor să construiască senzori de curent utilizând plăcuțe goale.

O altă alternativă este integrarea structurilor magnetice ale senzorului curent în ambalajul senzorului. Allegro Microsystems a luat această abordare cu seria de senzori de curent integrat ACS750 [Stauth04]. Aceste dispozitive conțin toate componentele cheie ale unui senzor de curent toroidal: concentrator de flux, senzor liniar și, de asemenea, integrează conductorul care transportă curent. Figurile 7-14a și 7-14b prezintă o fotografie și o vedere schematică în secțiune transversală a acestui dispozitiv.

Fig. 7-14: Fotografie ACS750 (a) și vedere în secțiune transversală (b).

În AC750, matrița senzorului cu efect-Hall este montată pe leadframe, așa cum este în senzorii integrați mai convențional ambalați. Leadframe-ul este apoi poziționat în interstițiul unui miez-C de ferită, împreună cu un distanțier de ferită pentru a reduce lungimea efectivă a interstițiului. Un conductor mare, de rezistență scăzută pentru transportul curentului de măsurat este și el inclus. În sfârșit, toate aceste componente sunt impregnate cu un compus epoxidic care blochează totul în poziție și protejează circuitul integrat și legăturile de sârmă. Ansamblul rezultat asigură un senzor de curent cu sensibilitate ridicată, capabil să măsoare curenți până la 100A care pot fi introduși într-o placă cu circuite imprimate.

Allegro Microsystem's ACS704 este un senzor de curent recent introdus și integrat, implementat într-un pachet SOIC-8 IC. Din nou, ca și în cazul dispozitivului ACS754, dispozitivul oferă un conductor pentru măsurarea curentului și include un senzor integrat cu efect-Hall pentru măsurarea câmpului magnetic rezultat. Avantajul principal oferit de acest dispozitiv este dimensiunea sa fizică mică, care este de aproximativ 0,3"x 0,3" x 0,06". Din cauza limitărilor pachetului SOIC-8, curenții maximi care pot fi măsurați cu acest dispozitiv sunt în gama de 5-14A.

7.11 Senzori de curent în buclă-închisă

Deși este util pentru multe aplicații, senzorul toroidal de curent prezentat are câteva limitări care restricționează utilizarea acestuia ca dispozitiv de măsurare de precizie. În mod specific, erorile de liniaritate și de amplificare care rezultă atât din senzorul toroid cât și din cel cu efect-Hall, limitează sever acuratețea realizabilă cu acest tip de dispozitiv.

În multe sisteme electronice, erorile de linearitate și amplificare sunt corectate prin utilizarea feedback-ului negativ, iar această tehnică poate fi utilizată și în senzorii magnetici de curent. Fig. 7-15 arată cum se face acest lucru.

Fig. 7-15: Senzor de curent cu buclă-închisă.

Calitativ, acest senzor funcționează încercând să echilibreze curentul de intrare cu un curent de reacție opus. Atunci când curentul net care trece prin toroid este zero, fluxul prin toroid este, de asemenea, zero. Curentul de reacție este cuplat în toroid printr-un conductor separat, dispus pentru a dezvolta un câmp magnetic opus celui al curentului măsurat. La prima vedere, acest lucru pare să fie un dezavantaj grav, deoarece ar putea fi necesară o cantitate semnificativă de curent pentru a efectua această anulare. Totuși, deoarece este posibil să se "multiplice" în mod efectiv un curent dat prin utilizarea de spire multiple, un mic curent printr-un număr mare de spire poate fi folosit pentru a echilibra un curent mare printr-o singură spiră. Aceasta înseamnă că, cu suficiente spire în bobina de reacție, este necesară doar o cantitate modestă de curent de reacție. De exemplu, dacă înfășurarea de reacție are 1000 de spire, doar 10 mA de curent de reacție vor fi necesare pentru a echilibra 10A de curent de intrare, care este prezent numai într-o singură spiră.

Un avantaj semnificativ al utilizării unei abordări de echilibrare a curentului este faptul că, deoarece fluxul net în toroid este zero, gama pe care poate fi măsurat curentul de intrare este limitată numai de curentul de reacție disponibil (multiplicat cu spire). Prin urmare, este posibil să se facă senzori de curent care pot detecta curenți extrem de mari fără a satura magnetic toroidul sau senzorul cu efect-Hall.

Următoarea parte a senzorului de curent este traductorul cu efect-Hall. Singura cerință exigentă pentru acest dispozitiv este aceea că poate detecta când fluxul magnetic este zero. Menținerea unui câștig exact al traductorului nu este critică. Erorile de offset, pe de altă parte, sunt încă importante, deoarece împiedică pe cineva să știe când fluxul prin toroid este cu adevărat zero.

În acest moment, s-ar putea realiza un dispozitiv manual de măsurare a curentului, care să utilizeze un cititor de la senzorul cu efect-Hall pentru a indica zero și o sursă de curent controlată manual cu un potențiometru, pentru a furniza curent de reacție. S-ar putea regla sursa de curent până când senzorul indică flux zero, citește cantitatea de curent cerut și se înmulțește cu numărul de spire în bobina de feedback. Deși acest lucru ar putea fi făcut pentru o măsurare de laborator, este încă incomod și complet inutil, deoarece această funcție poate fi realizată de un amplificator cu câștig mare plasat într-o buclă de feedback.

În bucla de feedback folosită de acest senzor de curent, diferența dintre curentul de măsurat și curentul de reacție determină un semnal de eroare. Amplificatorul din acest circuit încearcă să reducă la zero acest semnal de eroare, modificându-și adecvat ieșirea. Când semnalul de eroare este zero (sau foarte aproape), ieșirea amplificatorului este proporțională cu curentul măsurat.

Sistemele construite în jurul buclelor de feedback sunt elegante, deoarece permit minimizarea efectelor neideale ale multor componente. Comportamentul DC la starea de echilibru a unei bucle, cum ar fi acesta, este ușor de analizat. Primul pas este acela de a reprezenta întregul sistem în formă de diagramă bloc, așa cum se arată în Fig. 7-16.

Prima operație este însumarea curentului de intrare cu curentul de reacție. Apoi, aceasta este înmulțită cu amplificarea magnetică a toroidului AM (în G/A). Următorul etaj este câștigul traductorului AH (în V/G), urmat de câștigul de tensiune al op-amp Av (în V/V). Semnalul de ieșire rezultat este apoi convertit în curent prin rezistența de reacție (I/R), și în final, înmulțit cu numărul de înfășurări de feedback (N) înainte de a completa bucla. O expresie de formă închisă (Ec. 7-12) poate fi dedusă, care leagă VOUT cu IIN.

Fig. 7-16: Diagrama sistemului senzor de curent cu reacție.

În această ecuație, toți factorii menționați mai sus contribuie la câștigul global al senzorului de curent cu buclă închisă. Una dintre proprietățile aproape-magice ale feedback-ului negativ este totuși că, dacă cineva face câștigul op-amp suficient de mare (Av >> AMAHN/R), relația dintre VOUT și IIN poate fi aproximată după cum urmează:

Singurii termeni rămași sunt valoarea rezistorului de feedback și a numărului de spire de feedback. Ambele pot fi controlate la un grad înalt de acuratețe. Beneficiile feedback-ului, totuși, nu vin fără preț; nimic ce face feedback nu rezolvă magic toate problemele. Așa cum am menționat anterior, coercitivitatea toroidului și offset-ul senzorului cu efect-Hall vor contribui în continuare la erorile de offset la fel ca în cazul unui senzor de curent cu buclă-deschisă. O problemă mai complexă este totuși stabilitatea dinamică. Prin adăugarea unei bucle de feedback cu câștig mare la sistem, am introdus posibilitatea ca acesta să prezinte comportament oscilator. Cantități mici de instabilitatea se poate manifesta ca "overshoot-depășire" sau "ringing-oscilații" ca răspuns la o variație rapidă a curentului de intrare - cu efecte negative asupra acurateței dinamice a măsurătorilor. Instabilitățile majore pot duce la oscilație necontrolată, unde senzorul de curent scoate o formă de undă sinusoidală mare, chiar și atunci când nu există intrare. Comportarea dinamică a sistemului va fi o funcție complexă de dinamicile tuturor componentelor incluse în bucla de feedback. O analiză detaliată a problemelor legate de stabilitatea sistemului, însă, depășește sfera acestei lucrări.