Wielozakresowy przetwornik prądu z czujnikiem Halla

Metoda pomiaru prądu z czujnikiem Halla umożliwia pomiar prądu stałego lub przemiennego poprzez pomiar natężenia pola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik, w którym przepływa prąd. Z tym sposobem pomiaru wiąże się pewna wada – jest to wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne, których eliminacja np. przez ekranowanie nie zawsze jest łatwa. Pomimo tej wady przetworniki Halla przy odpowiedniej aplikacji zachowują dobrą dokładność i prostotę układu pomiarowego.

Do pomiaru prądu zastosowano przetwornik z rodziny HTS firmy YHDC wykonany w formie zalewanego bloku, który w zależności od modelu umożliwia pomiar prądu w zakresie 0...50 A. Przetworniki produkowane są w wersji zasilanej napięciem 3,3 V lub 5 V. Każdy z nich z wyjątkiem modelu HTS50, ma możliwość pracy w trzech zakresach pomiarowych ustalanych sprzętowo poprzez odpowiednie łączenie części pomiarowej. Pokrywa to zakres pomiaru 0...2 A do 0...25 A przy użyciu jednej płytki i odpowiedniego doboru przetwornika i konfiguracji zwór. HTS50 pomimo zgodności nie jest zalecany ze względu na wytrzymałość prądową ścieżek i złącz modułu. Zestawienie modeli przetworników HTS zostało pokazane w tabeli 1.

Budowa i działanie

Schemat układu został pokazany na rysunku 1. Mierzony prąd doprowadzony jest do zacisków CIN/COUT, przetwornik HTS ma trzy wejścia i wyjścia dla obwodu pomiaru prądu, które w zależności od połączenia ustalają zakres pomiarowy. Sposób wyboru zakresu pomiarowego został pokazany na rysunku 2.

Rysunek 1. Schemat układu przetwornika

Równoległe połączenie wejść (połączenie 1) oraz wyjść ustala znamionowy zakres prądowy, zakres wybiera się poprzez zwarcie (zalutowanie) zwór Z1, Z2, Z3, Z4. Drugi podzakres pomiarowy (połączenie 2), ustala się zwarciem zwór Z1, Z5, Z6, w którym równolegle połączone są dwa wejścia/wyjścia, a trzecie wejście połączone jest z nimi w szereg. Trzeci podzakres (połączenie 3) wybierany zwarciem Z5, Z6 łączy wejścia i wyjścia kaskadowo.

Rysunek 2. Sposób wyboru zakresu pomiarowego

Przetwornik HTS w zależności od typu wymaga zasilania 3,3 V lub 5 V, które po filtracji doprowadzone jest do końcówki VCC. Napięcie wyjściowe (odniesienia) wyprowadzenia CSO, przy zerowym prądzie pomiarowym wynosi 50% napięcia zasilania, zakres pomiarowy to ±0,625 V względem napięcia odniesienia, niezależnie od typu przetwornika i wybranego zakresu pomiarowego. Pomiar względem ustalonego napięcia odniesienia umożliwia detekcję kierunku przepływu prądu stałego i pomiar prądu przemiennego. Minimalne obciążenie wyjścia to 10 kΩ.

Układ zasilany jest poprzez złącze OUT w standardzie Grove. Do złącza doprowadzone są dwa sygnały, jeden niebuforowany SENS bezpośrednio z wyjścia przetwornika HTS oraz sygnał BUFOUT buforowany przez wzmacniacz U1.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat jest pokazany na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

W zależności od aplikacji należy wybrać model przetwornika HTS zgodnie z tabelą 1, uwzględniając wymagany zakres pomiarowy i dostępne napięcie zasilania. Montaż układu nie wymaga opisu, należy tylko zalutować odpowiednie dla zakresu pomiarowego zwory konfiguracyjne Z1...Z7. Po poprawnym montażu przetwornik nie wymaga kalibracji i może zostać podłączony do obwodu pomiarowego.

Przykładowe wyniki pomiarów prądu stałego dla modelu z przetwornikiem HTS6-3 zasilanym napięciem 3,3 V, na wszystkich zakresach 2 A/3 A/6 A i wyjściu buforowanym pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Pomiary modelu z przetwornikiem HTS6-3, prąd stały

Wyniki pomiarów prądu przemiennego dla zakresu 2 A wykonanego miernikiem TRMS (po separacji składowej stałej 1,65 V) pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Pomiary modelu z przetwornikiem HTS6-3, zakres 2 A, prąd przemienny

Porównania obu przypadków z miernikiem laboratoryjnym wykazują dobrą liniowość i dokładność pomiarów.

Adam Tatuś, EP