Перевод с французского: Мурованный И.Ю.

---

Источник: Favre Е. Capteurs de courant: à chacun son argument! / Eric Favre // Mesures. — 2004.№ 763. — P.49—54
http://mesures.com/archives/049_O54_SOL.pdf

---

Технологии с использованием эффекта Холла

Существует три технологии, использующие эффект Холла для измерения переменного и постоянного токов.

Датчики на основе эффекта Холла разомкнутого контура. В конструкцию датчиков на основе эффекта Холла разомкнутого контура входит чувствительный элемент (датчик Холла), расположенный в зазоре магнитопровода. Идея заключается в том, что магнитная индукция, наводимая в магнитопроводе и детектируемая чувствительным элементом, теоретически пропорциональна первичному (измеряемому) току. Погрешности измерений обусловлены, главным образом, нелинейностями магнитной и электронной цепей, а также наводками, создаваемыми датчиком Холла, преобразовательными электронными элементами, и, наконец, гистерезисом магнитной цепи. Использование магнитной цепи предполагает массу преимуществ, а именно: концентрация поля на датчике Холла, усиление амплитуды поля, защита от внешних магнитных возмущений.

Датчики на основе эффекта Холла разомкнутого контура способны измерять переменные, постоянные и несинусоидальные токи, во всех случаях обеспечивая гальваническую развязку. Они отличаются низким потреблением энергии, низкими массо-габаритными показателями. Такие датчики особенно привлекательны для измерения больших токов. Они не вносят потери в цепь измерения, что позволяет им выдерживать токовые перегрузки. Также они дешевы и адаптированы ко многим промышленным задачам. Недостатки датчиков на основе эффекта Холла разомкнутого контура заключаются в полосе пропускания, относительно большом времени отклика и точности измерений, существенно зависящей от температуры. В некоторых случаях потери в виде токов Фуко на высоких частотах могут в равной степени стать ограничивающим фактором.

Номинальные токи датчиков находятся в пределе от нескольких ампер до 10 кА. Возможны также, в виде исключения, номинальные токи до 30 кА. Технология допускает кратковременные импульсы тока, существенно превосходящие по величине максимальное значение измеряемого сигнала (в 5 – 10 раз, к примеру). Они могут создать магнитную наводку, что приведет к постоянной погрешности измерения, устранить которую можно будет лишь путем специализированного размагничивания. Общая погрешность составляет несколько процентов. Эта величина объясняется дрейфом нуля при измерении постоянного тока, наводками датчика Холла и преобразовательными электронными элементами, магнитной наводкой при постоянном токе, погрешностями усиления и сглаживания, уменьшением амплитуды и сдвигом фаз при достижении предела полосы пропускания, и, наконец, шумом. Дополнительные погрешности могут возникать с колебаниями температуры, и, особенно, с колебаниями в усилителе и дрейфом нуля.

Датчики на основе эффекта Холла замкнутого контура. По сравнению с датчиками разомкнутого контура, датчики на основе эффекта Холла замкнутого контура имеют интегрированную цепь компенсации, которая оптимизирует производительность датчика. Сигнал датчика Холла в датчиках замкнутого контура используется в качестве обратной связи, регулирующей ток вторичной обмотки I_S таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре магнитопровода было равным нулю. Вторичная обмотка содержит больше витков (N_S), чем первичная (N_P). При нулевой индукции в зазоре магнитопровода ампер-витки в обоих обмотках одинаковы, и, как следствие, отношение между первичным (I_P) и вторичным (I_S) током определяется отношением количества витков: I_S = I_P N_P/N_S. Максимальная частота измеряемого тока обычно включена в диапазон 2 – 10 кГц. Этот диапазон существенно уменьшен из-за полосы пропускания, ограниченной электронными компонентами, и слабой динамики напряжения, генерирующего ток I_S во вторичной обмотке. Ограничения полосы пропускания датчика можно избегнуть, используя вторичную обмотку в качестве стандартного трансформатора тока, преобразующего переменный первичный ток во вторичный.

Датчики на основе эффекта Холла замкнутого контура способны измерять переменные, постоянные и несинусоидальные токи, во всех случаях обеспечивая гальваническую развязку. Они отличаются высокой точностью и линейностью, малой зависимостью от температуры, быстрым временем отклика, широкой полосой пропускания, не вносят потерь в первичную цепь, а также тем, что выходной ток устойчив к электромагнитным помехам.

Основными недостатками технологии замкнутого контура являются относительно высокая потребляемая мощность, повышенные массо-габаритные показатели (для высоких токов), и, очевидно, более высокая стоимость по сравнению с датчиками на основе эффекта Холла разомкнутого контура.

Номинальные токи датчиков находятся в пределе от нескольких ампер до 10 кА. Некоторые модели рассчитаны даже на 500 кА. Для таких моделей максимальный измеряемый ток ограничивается на уровне насыщения управляющей электроники, как правило, только на низких частотах.

Датчики тока замкнутого контура обеспечивают линейность на широком диапазоне измерений с общей погрешностью менее 1%. Факторы, влияющие на точность измерений, - те же, что и для датчиков разомкнутого контура, но их значение существенно меньше по причине применения принципа нулевого потока (уменьшение наводок, обусловленных магнитной нелинейностью, меньшая зависимость усиления от температуры). На высоких частотах качество измерений определяется качеством трансформатора тока.

Датчики замкнутого контура всегда могут быть подвержены влиянию магнитных наводок, если датчики эксплуатируются в ненормальных условиях (первичный ток низкой частоты значительно превышает максимальное указанное значение). Полоса пропускания широкая, более 100 кГц в большинстве случаев. Иногда она может достигать 300 кГц. Время отклика таково, что возможно проследить изменения тока (di/dt), достигающие нескольких сотен А/μs.

Датчики на основе эффекта Холла типа ЕТА. Концепция датчиков ЕТА на основе эффекта Холла подобна датчикам замкнутого контура, с магнитной цепью, датчиком Холла и вторичной обмоткой. Различия заключаются в схеме магнитных цепей, а также в способе обработки электроникой выходного сигнала. Фактически, датчики ЕТА на основе эффекте Холла совмещают характеристики датчиков разомкнутого и замкнутого контуров. На низких частотах (в основном между 2 и 10 кГц) они функционируют как датчики разомкнутого контура, датчик Холла обеспечивает формирование сигнала, пропорционального первичному измеряемому току. На высоких частотах они функционируют как простой трансформатор тока. Сигналы трансформатора и датчика Холла суммируются электроникой для формирования выходного сигнала.

Датчики ЕТА способны измерять переменные, постоянные и несинусоидальные токи, во всех случаях обеспечивая гальваническую развязку. Датчики ЕТА имеют широкую полосу пропускания, быстрое время отклика, низкое потребление энергии и напряжение питания, которое ниже напряжения вторичной обмотки (например, +5 В). Выше 2 – 10 кГц точность и температурный дрейф имеют высокие показатели (аналогичные полученным при замкнутом контуре). Датчики ЕТА не вносят потерь в цепь измерения и вполне устойчивы к токовым перегрузкам. Основной недостаток заключается в размерах и массе датчика, в связи с тем, что необходимо использовать громоздкую вторичную обмотку (как для датчиков замкнутого контура) и магнитный сердечник большого сечения (как для датчиков разомкнутого контура). На низких частотах точность датчиков становится более зависимой от изменений температуры (как для датчиков разомкнутого контура). Стоимость датчиков ЕТА выше стоимости датчиков разомкнутого контура и близка к стоимости датчиков замкнутого контура.

Номинальные токи датчиков находятся, в основном, в пределах от 25 А до 100 А. Этот диапазон работы ограничен не технологическими аспектами, а ценовыми и рыночными факторами: при токах менее 25 А датчик может работать в условиях, аналогичных датчикам замкнутого контура, с большей эффективностью, тогда как при токах выше 150 А, увеличенное напряжение питания (например, ±15 В), является, в общем, доступным, что делает технологию замкнутого контура более привлекательной. В действительности, низкое потребление энергии, достигаемое с помощью технологии ЕТА, не представляет большого интереса, когда измеряются большие токи. Точность датчиков ЕТА зависит от частоты. Для низких частот (обычно от 2 до 10 кГц) общая погрешность составляет несколько процентов, как для моделей разомкнутого контура. Для повышенных частот общая погрешность составляет менее 1%. После токовой перегрузки (при превышении током указанных значений) риск возникновения наводок, связанных с остаточным магнетизмом магнитной цепи, на низких частотах сопоставим с датчиками разомкнутого контура.

Полоса пропускания, время отклика и характеристика di/dt датчиков ЕТА весьма близки к характеристикам датчиков замкнутого контура, за исключением небольшого снижения качества работы. Верхний предел частоты составляет в общем случае 100 кГц, время отклика – менее 1 μs.