Miniaturowy detektor przepływu prądu stałego

Najprostszy układ, który może zasygnalizować przekroczenie określonego natężenia prądu, może składać się z tranzystora bipolarnego i dwóch rezystorów. Niestety, ma on sporo wad: niemały spadek napięcia wymagany do zadziałania (około 0,7 V), utrudnioną regulację progu zadziałania i silną zależność od temperatury. Jego bardziej rozbudowana wersja, zawierająca komparator, pozwala zmniejszyć wymagany spadek napięcia, chociaż nadal nie redukuje go do zera.

Opisany projekt zawiera nowoczesny czujnik natężenia prądu, który wykorzystuje do działania efekt Halla. Mierzony prąd przepływa przez ścieżkę o bardzo niskiej rezystancji, a natężenie generowanego przez nią pola magnetycznego (zgodnie z prawem Ampère’a) jest mierzona przez półprzewodnikowy czujnik natężenia pola magnetycznego, czyli przez czujnik Halla. Wbudowany obwód elektroniczny przetwarza informację pozyskaną przez wewnętrzny czujnik na napięcie. Dzięki takiemu posunięciu, rezystancja między zaciskami pomiarowymi wynosi zaledwie kilka miliomów – producent czujnika deklaruje, że wbudowana ścieżka pomiarowa ma typowo 1,2 mΩ, zaś połączenia na płytce są krótkie, bardzo szerokie i dodatkowo odsłonięte spod soldermaski. Ponadto, układ oferuje bardzo dobrą izolację galwaniczną.

Budowa i działanie

Schemat ideowy detektora przepływu prądu znajduje się na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy detektora przepływu prądu

Najważniejszym elementem tego układu jest wspomniany już czujnik przepływu prądu z rodziny ACS712 od Allegro MicroSystems Inc. Jego schemat ideowo-blokowy znajduje się na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat ideowo-blokowy czujnika z rodziny ACS712

W niewielkiej obudowie SO8 zostały zamknięte:

• ścieżka przewodząca o niskiej rezystancji,
• czujnik Halla wraz z odpowiednim źródłem prądowym do jego zasilania,
• wzmacniacze przetwarzające sygnał z czujnika,
• układy kompensujące wpływ temperatury,
• filtr całkujący,
• bufor wyjściowy.

Obwód zawarty w układzie zapewnia na wyjściu napięcie proporcjonalne do natężenia płynącego prądu, a dokładniej 185 mV/A (typowo). Aplikacja tego układu jest niezwykle prosta, bowiem wymaga zaledwie dwóch kondensatorów o niewielkich pojemnościach – rysunek 3.

Rysunek 3. Schemat aplikacyjny czujnika z rodziny ACS712

Producent przewidział konieczność filtracji tego napięcia, gdyż mierzony prąd może być obarczony fluktuacjami lub zakłóceniami. Do ustalenia stałej czasowej filtru całkującego służy kondensator CF.

Skoro układ jest zasilany pojedynczym napięciem o wartości 5 V lub zbliżonej, a potrafi wykrywać przepływ prądu w obu kierunkach, to jak sygnalizuje to na swoim wyjściu? Producent rozwiązał ten problem przez ustalenie na wyjściu czujnika składowej stałej równej połowie napięcia zasilania. Prąd płynący w jednym kierunku daje proporcjonalne odchylenie od tej wartości w górę, w przeciwnym razie w dół. Daje to pewną niedogodność jeżeli chodzi o skonstruowanie detektora z użyciem wspomnianego czujnika, bowiem nie jest możliwe proste sprzęgnięcie jego wyjścia z wejściem komparatora. Nie mamy też wpływu na kierunek zmian napięcia, gdyż układ ma być możliwie uniwersalny i działać prawidłowo w każdą stronę.

Dlatego do detekcji został użyty zmodyfikowany komparator okienkowy, w którym role poszczególnych komparatorów zostały odwrócone: jeżeli jeden z nich „zauważy” wyjście nadzorowanego napięcia poza zakres, potencjał jego wyjścia spada, co aktywuje z kolei wyjście całego układu. Pozwala to na równorzędne traktowanie prądu płynącego zarówno w jedną, jak i w drugą stronę. Jednak takie podejście wymagało jednoczesnej regulacji dwóch progów zadziałania: dolnego i górnego. Nie dość, że ta regulacja powinna być współbieżna, to jeszcze punktem odniesienia dla niej miałaby być połowa napięcia zasilania. Dlatego został użyty w tej roli lekko zmodyfikowany dzielnik napięcia, który składa się z rezystorów R1, R2 i potencjometru P1. Zmiana rezystancji P1 jednocześnie modyfikuje oba napięcia wyjściowe dzielnika, a skręcenie go na zero powinno – teoretycznie – ustalić napięcie równe spoczynkowemu stanowi napięcia na wyjściu czujnika. Warto zauważyć jeszcze jedną zaletę takiego podejścia: tolerancja wykonania potencjometru P1 nie ma w tym układzie żadnego znaczenia. Jakakolwiek zmiana jego rezystancji powoduje proporcjonalne zmiany obu napięć wyjściowych. Dlatego nie ma obawy o to, że wskutek jego niedokładności jeden z progów może znacząco odbiegać od drugiego.

Wyjściem układu jest tranzystor T1, który ulega otwarciu po załączeniu wyjścia któregokolwiek z komparatorów. Rezystor R3 utrzymuje go w stanie zatkania w stanie spoczynku a także zapewnia przepływ prądu kolektora dla nasyconego tranzystora w aktualnie aktywnym komparatorze. Dioda D1 chroni T1 przed uszkodzeniem, które może nastąpić podczas np. wyłączania obciążenia o charakterze indukcyjnym (silnika lub cewki przekaźnika).

Stabilizator US1 dostarcza napięcia 5 V dla czujnika US1 a także jest źródłem napięcia referencyjnego dla komparatorów. Układ został tak zaprojektowany, że nie jest wrażliwy na dokładną wartość tego napięcia, gdyż wszystkie zmiany są odniesione względem jego połowy. Dioda D2 chroni układ przed uszkodzeniem w razie odwrotnego podłączenia zasilania.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 40×30 mm, której schemat został pokazany na rysunku 4.

Rysunek 4. Schemat płytki PCB

W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm. Montaż proponuję rozpocząć od elementów montowanych powierzchniowo, gdyż ich liczba na płytce jest zdecydowanie przeważająca. Ponadto, wysokość ich obudów jest niewielka, więc dostęp do nich będzie utrudniony po wlutowaniu złącz.

Na końcu radzę wlutować potencjometr montażowy P1, kondensator elektrolityczny C2 oraz złącza J1 i J2.

Zasilanie układu powinno odbywać się napięciem stałym, niekoniecznie stabilizowanym, o wartości z przedziału 8…20 V. Dolna wartość wynika z zagwarantowania stabilizatorowi 78L05 prawidłowych warunków pracy, a górna z dopuszczalnego napięcia bramka-źródło tranzystora T1. Przekroczenie tej wartości może uszkodzić tranzystor, dlatego warto przyjąć 12 V jako wartość optymalną. Pobór prądu przez układ wynosi około 11 mA, bez obciążenia podłączonego do zacisku OUT.

Obciążenie podłączone do wyjścia układu może pobierać nie więcej niż 130 mA, co wystarczy do zasilania cewki niewielkiego przekaźnika albo do przekazania informacji układowi nadrzędnemu. Warto pamiętać, że prąd wypływa z tego wyjścia w kierunku masy, zaś jego potencjał jest zbliżony do napięcia zasilania układu. Szczegóły podłączenia pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Schemat podłączenia detektora przepływu prądu

Prawidłowo zmontowany i podłączony układ nie wymaga dodatkowych czynności uruchomieniowych. Jedyne, co musimy zrobić, to prawidłowo ustawić próg zadziałania przy użyciu potencjometru P1. Skręcając jego ślizgacz w prawo (w stronę napisu MIN) próg zadziałania zostaje zmniejszony. Po skręceniu całkowicie na minimum wyjście może być stale załączone, a to przez fakt, że elementy nie są idealne: chodzi głównie o offset napięciowy komparatorów i rozrzuty parametrów rezystorów. Jeżeli chcemy poznać (chociaż zgrubnie) wartość ustawionego progu zadziałania, wystarczy zmierzyć napięcie występujące między skrajnymi wyprowadzeniami potencjometru P1.

Po podzieleniu tej wartości przez 2, a potem przez współczynnik przetwarzania czujnika (typowo 185 mV/A) uzyskamy ustawioną wartość progu zadziałania.

Detektor nie ma wbudowanej histerezy, zaś komparatory mają skończone wzmocnienie napięciowe, dlatego może być widoczne płynne załączanie się wyjścia przy nieznacznym przekroczeniu progu zadziałania. Dlatego warto jako obciążenie użyć elementu pracującego dwustanowo, na przykład wspomnianego już przekaźnika.

Układ zapewnia izolację galwaniczną między obwodem mierzonego prądu a wyjściem. Szczegóły dotyczące tej izolacji można znaleźć w nocie katalogowej. Dlatego nie ma potrzeby zwracania uwagi na potencjał, na jakim znajdują się zaciski wejściowe względem masy zasilania (GND) detektora.

W sytuacji, gdy mierzony prąd jest bardzo zaszumiony (nadzorowane urządzenie pobiera prąd z fluktuacjami, na przykład silnik szczotkowy prądu stałego), można lepiej odfiltrować sygnał wyjściowy z czujnika. Wystarczy w tym celu zwiększyć stałą czasową wbudowanego filtru RC, w którym rolę pojemności odgrywa kondensator podłączony do nóżki 6, a w tym układzie jest to C1. Zmiana jego wartości na 47 nF lub 100 nF wydłuży odpowiedź impulsową filtru, ale zawęzi pasmo szumowe.

Jeżeli układ US1 zostanie wymieniony na inny, obsługujący wyższe natężenie mierzonego prądu, można zwiększyć zakres zadziania detektora. Przykładowo ACS712ELCTR20AT może mierzyć prąd o natężeniu do 20 A, a czułość jego przetwarzania wynosi 100 mV/A. W tej sytuacji konieczna byłaby wymiana R1 i R2 na 1,2 kΩ aby detektor obsłużył cały zakres pomiarowy tego czujnika. W tej sytuacji warto również dolutować przewody bezpośrednio do płytki, z pominięciem złącza J1, dla którego maksymalne natężenie prądu wynosi 10 A lub 15 A, zależnie od producenta.

Michał Kurzela, EP