Датчики тока на эффекте Холла. Схема и устройство

[Alex9797]

Думаю, что многим интересно узнать, как же устроены датчики тока на эффекте Холла. И не только узнать, но и увидеть, как они выглядят внутри.

Эти датчики делятся на два вида: импортные, и не импортные.
Импортные хороши красивым дизайном, высокой точностью, надежностью. У не импортных только два преимущества. Первое - это разборный корпус. Выкручиваем всего четыре винтика, и все внутренности перед нами. Это счастье для любопытных, которым интересно заглядывать во все дырки. И счастье для тех, кто должен ремонтировать такой датчик.
А второе преимущество - это цена, которая в разы ниже, чем у импортных. На этом список преимуществ таких датчиков заканчивается. Список недостатков длиннее, но о них - потом.

В общем, все попытки разобрать корпус импортных датчиков закончились неудачей. Без поломки это невозможно. У одного датчика корпус полностью запаян, по всем стыкам. У второго датчика половинки корпуса оказались на защелках. Но их очень много, по две на каждую сторону, и очень неудобно к ним подобраться. Причем все эти защелки, со всех сторон, надо отогнуть одновременно, иначе не откроется. Это занятие - не для слабонервных! Пришлось придумывать разные хитрые приспособы. В результате получилось некое ежикоподобное устройство, которым все же удалось отогнуть все защелки одновременно! Но тут оказалось, что я недооценил буржуев. Им показалось, что одних защелок недостаточно, и они вдобавок капитально проклеили стык половинок корпуса в зоне отверстия для кабеля. Там гильза плотно входит в гильзу. И они это соединение полностью проклеили. Блин...

Поэтому пришлось ограничиться не импортным датчиком ДСТ-500.
Разобрал, срисовал расположение деталей и дорожки, нарисовал схему, сделал фотки. Все это во вложении.

Схема оказалась на удивление простая. Даже китайцы не смогли бы упростить ее.

Устройство и принцип работы одинаковы для всех датчиков такого типа.
Силовой проводник с током пропускается сквозь кольцевой магнитопровод. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. На магнитопровод намотана компенсирующая обмотка. По этой обмотке пропускается такой ток, который полностью компенсирует магнитное поле силового проводника. Компенсирующий ток пропорционален току в силовом проводнике. Коэффициент пропорциональности подобен коэффициенту трансформации, и равен отношению количества витков компенсирующей обмотки (вторичная обмотка), к количеству витков силового проводника (первичная обмотка). Обычно компенсирующая обмотка содержит большое количество витков: 500...10000.
Количество витков силового проводника чаще всего равно единице, особенно для больших токов в сотни ампер. Для измерения маленьких токов, единицы и десятки ампер, для повышения чувствительности иногда пропускают сквозь датчик более одного витка.

Чтобы компенсировать магнитное поле в магнитопроводе датчика, необходимо измерять его величину и знак. Для этого в магнитопроводе делается поперечная прорезь, в которую вставляется датчик Холла. Сигнал этого датчика усиливается, и подается на усилитель мощности, выход которого нагружен на компенсирующую обмотку. Задача этой схемы - пропустить через обмотку такой ток, при котором напряженность магнитного поля в разрыве магнитопровода станет равной нулю.

При этом сохраняется очень высокая точность коэффициента пропорциональности, во всем диапазоне измеряемых токов. Чтобы измерить ток компенсирующей обмотки, последовательно с ней подключается низкоомный прецизионный резистор. По величине падения напряжения на этом резисторе можно судить о величине тока в силовой цепи.

Ладно, я пока займусь работой. Продолжу позже.
.................................
Важный момент. Когда я создавал эту тему, то не ставил целью написать наукообразную статью, с азбучными истинами. Такого добра в инете и так хватает. Основной целью было - показать на примере промышленного изделия, что такой датчик тока имеет достаточно простое устройство, и его несложно изготовить даже в домашних условиях. А потребность в таких датчиках растет. Сейчас любой желающий запросто может или купить, или сделать сам, сварочный инвертор постоянного тока. И для контроля величины тока, или контроля формы тока необходим описываемый датчик. Промышленные образцы таких датчиков довольно дорогие, их цена сопоставима с ценой самого инвертора, а зачастую и в разы выше. Да и клещи постоянного тока хорошо кусаются ценами. Хотя в точности значительно уступают датчикам, которые здесь описываются.
В общем, в этой теме я постараюсь основной упор делать на конструктивных особенностях этих датчиков, на особенностях схемы, и на остальном, что может влиять на успех при домашнем изготовлении датчика тока.

П.С. Кстати, касаемо размеров зазора, и самого датчика Холла. Датчик Холла специфический. Он бескорпусный, и смонтирован на узкой полоске тонкого фольгированного стеклотекстолита. Под него в текстолите сделано посадочное углубление, в котором он плотно посажен на эпоксидку, заподлицо с поверхностью. Толщина этой полоски текстолита - 0,8мм. Полоска входит в зазор без трения о стенки, но и не болтается. Из этого можно сделать вывод, что толщина зазора - порядка 0,9...1мм.

А вот ссылка на страничку изготовителя этого датчика тока:
http://www.chezara.com/cont/prod/sensors/dit/dst500.php

........продолжение следует............

[zöner]

тащемта, ничего неожиданного...
вот еще по теме:
http://www.sensorsmag.com/sensors/el...technology-786
http://www.sensorsmag.com/sensors/el...nt-sensor-1029

[Ан-162]

По этой обмотке пропускается такой ток, который полностью компенсирует магнитное поле силового проводника.

Не полностью, а почти полностью.
Иначе нечего будет усиливать с датчика Холла.
Вы что, забыли как работает компенсационный стабилизатор?
Здесь тот-же принцип.

пропустить через обмотку такой ток, при котором напряженность магнитного поля в разрыве магнитопровода станет равной нулю.

Соответственно, и эта фраза не соответствует действительности.
Если напряженность равна нулю - зачем тогда магнитопровод?
Сделайте его деревянным! Нет, выбросьте его вааще!

[genao]

Iвых=Iизм*Кпр*Wизм/(1+Кпр*Wкомп), где Кпр=Iвых/(Iизм*Wизм - Iвых*Wкомп)

(Iизм*Wизм - Iвых*Wкомп)-это

почти полностью.

[Alex9797]

ничего неожиданного...

Кому неожиданности - это не сюда, это в тему о крещенской воде.

[Alex9797]

Если напряженность равна нулю - зачем тогда магнитопровод?

Как это "зачем"? А обмотку на чем тогда мотать? (Ржевский, молчать!)
Ну, и для того, чтобы концентрировать в этом магнитопроводе побольше магнитных линий, которые будут пронизывать площадь датчика Холла, тем самым повышая чувствительность в тысячи раз, по сравнению с обмоткой на сердечнике из воздуха или дерева.

[mikaleus]

Вобще-то ничего неожиданного. Подобными схемами пользуюсь регулярно!
Но по поводу того, что напряжённость поля равна нулю, так таки НЕТ. Но она уменьшается в коэффициент по напряжению ОУ раз. Ограничение как раз возникают в частотном диапазоне.
По поводу необходимости магнитопровода, то он необходимо для уменьшения мощности компенсации, а так магнитопровод вполне можно было бы заменить дровами. Кроме того, есть ещё одна проблема - датчики Холла может быть на ферромагнетиках (имеет проблемы с гистерезисом), на полупроводниках (дикая температурная нестабильность). То, практически сводя к очень малому разность напряжённости полей в зазоре, решают проблемы ДХ. Такая схема реально метрологически может быть аттестована.
Вопросы по конструкции: какой внутренний диаметр под 500А провод?

[Alex9797]

Схема оказалась на удивление простая.

Так и хочется сказать при этом, что "в этой схеме нет ничего лишнего". Но, если посмотреть внимательнее, особенно после того, как эти датчики несколько раз отказали, в самый ответственный момент, то хочется сказать другое: "в этой схеме много недостающих деталей".
Да, в свое время на работе было закуплено много этих датчиков. Дешевые...
Но когда стали ставить в оборудование, то оказалось, что почти половина датчиков не работали нормально с самого начала. Возможно, их испытывали в цепях 50Гц. А у нас были импульсные цепи. И датчики начинало колбасить при достижении некоторых значений тока. У каждого датчика это значение было индивидуальным. В такой момент на выходе датчика возникала паразитная генерация, с полным размахом питающего напряжения.

Пришлось проводить входной контроль, для чего пришлось сделать специальный стенд. Неслабый, с учетом диапазона токов 50...600 ампер. Но этот контроль не спасал положение, потому что датчики оказались очень ненадежными. Элементная база выбрана неудачная, качество компонентов низкое. Поэтому при длительной работе на большом токе датчики часто отказывали. Поэтому вскоре пришлось полностью перейти на импортные датчики LEM. И о проблемах надежности сразу забыли. А что касается точности - то она оказалась выше всех ожиданий.

Но и для описанного здесь датчика не все потеряно. В нем есть главное - корпус (разборный! ), бублик с компенсационной обмоткой, зазор в этом бублике, и очень тонкий датчик Холла, плотно входящий в зазор. Все, этого вполне достаточно! Остается только полностью переделать плату. Об этом я мечтаю довольно давно. Но пока все только мечтами и ограничивается. Потому что в список обязательного входит еще один пункт, которого у меня дефицит - это свободное время!

[Alex9797]

какой внутренний диаметр под 500А провод?

Только что измерил электронным штангелем. Получилось 21мм.
Конечно, для кабеля в изоляции этого маловато будет. Поэтому мы вытачивали медный штырь такого диаметра, запихивали его в это отверстие, а на концах штыря присобачивали клеммы, к которым уже крепили кабельные наконечники.

[mikaleus]

Поставьте между базой-эмиттером транзисторов резистор на 1-3 кОм и транзисторы можно импортные взять с бОльшим hfe. Будет лучше реакция на единичный скачок.