Измерение тока датчиком Холла

Ток создаёт магнитное поле вокруг проводника. Чувствительный элемент Холла измеряет поле в заданной геометрии, а внутренняя схема усиливает сигнал и формирует аналоговое выходное напряжение. В интегральном датчике проводник и сенсор расположены внутри одного корпуса, поэтому коэффициент преобразования задаётся производителем.

У двунаправленного датчика выход при нулевом токе обычно смещён внутрь диапазона питания. Ток в одном направлении увеличивает напряжение относительно нуля, а в противоположном – уменьшает. Направление положительного тока задаётся выводами силового пути и стрелкой или схемой в даташите.

Существуют также датчики с внешним проводником, разомкнутым или замкнутым магнитопроводом и цифровым интерфейсом. Их диапазон, изоляция и точность определяются конкретной конструкцией, поэтому свойства ACS712 нельзя переносить на все датчики тока Холла.

Диапазон выбирают по максимальному рабочему току, пусковым импульсам и аварийному режиму. Модель должна выдерживать требуемый ток термически и электрически, а её выход не должен насыщаться в измеряемом диапазоне.

У семейства ACS712 варианты на 5 А, 20 А и 30 А имеют различную чувствительность. Меньший диапазон даёт большее изменение напряжения на один ампер, поэтому удобнее для измерения малых токов. Больший диапазон допускает более высокий ток, но при том же АЦП даёт меньше отсчётов на ампер.

Для импульсной нагрузки отдельно проверяют допустимый переходный ток, длительность импульса и нагрев силового проводника.

Перед измерением постоянного тока определяют фактический выход при нулевом токе. Номинально он может находиться около половины питания, но имеет допуск, температурный дрейф и шум. Поэтому ноль измеряют после прогрева устройства и усредняют несколько отсчётов при гарантированно разомкнутой силовой цепи.

Для линейного выхода расчёт выполняют по выражению:

I = (VOUT - VZERO) / S

где VOUT – измеренное выходное напряжение, VZERO – фактический нулевой уровень, S – чувствительность выбранной модели в В/А.

Знак результата показывает направление тока относительно обозначенного направления силового пути. Если в программе используется модуль тока, знак нельзя просто отбрасывать до проверки правильности подключения. При изменении температуры или питания нулевой уровень может смещаться, поэтому требуемая точность определяет частоту повторной калибровки.

Выход датчика соединяют с АЦП только после проверки максимального напряжения. ACS712 питается от 5 В, а его аналоговый выход может превышать допустимый диапазон 3,3-вольтового контроллера. Для ESP32 и другой логики 3,3 В может потребоваться делитель, буфер или АЦП с подходящим входным диапазоном.

Развязывающий конденсатор устанавливают рядом с выводами питания. У ACS712 вывод FILTER позволяет уменьшить шум внешним конденсатором, но снижение полосы замедляет реакцию и ослабляет быстрые изменения тока.

Точность результата зависит от опорного напряжения АЦП, его нелинейности, разрешения, шума земли и стабильности питания датчика. Усреднение уменьшает случайный шум, но не исправляет ошибку чувствительности, смещение, перегрев или насыщение. Делитель напряжения также уменьшает полезное изменение сигнала на один ампер.

Для переменного тока одиночный отсчёт не показывает действующее значение. Необходимо измерять форму сигнала с частотой, достаточной для её полосы, вычесть нулевой уровень и рассчитать требуемый параметр.

Для синусоидального сигнала можно определить амплитуду и пересчитать её в RMS. Для несинусоидальной нагрузки правильнее вычислять среднеквадратическое значение по серии отсчётов:

1. Из каждого отсчёта вычесть VZERO.
2. Перевести напряжение в ток по чувствительности.
3. Возвести каждое значение в квадрат.
4. Найти среднее квадратов за целое число периодов.
5. Извлечь квадратный корень.

Окно измерения должно охватывать целое число периодов либо быть достаточно длинным для устойчивого результата. Выпрямители, импульсные блоки питания и регуляторы имеют несинусоидальный ток, поэтому коэффициент для чистой синусоиды к ним неприменим.

Наличие эффекта Холла не означает автоматическую безопасную гальваническую развязку. Нужно проверить рабочее и испытательное напряжение изоляции, расстояния по плате, категорию перенапряжения, загрязнение, корпус и сертификацию всей сборки. Параметр изоляции микросхемы не распространяется автоматически на дешёвый модуль с близко расположенными дорожками и клеммами.

Силовой проводник имеет сопротивление и нагревается пропорционально квадрату тока. Нагрев меняет смещение и чувствительность и может ограничивать допустимый непрерывный ток. При больших токах применяют специализированные корпуса, внешний проводник или магнитопровод.

Внешние магниты, соседние шины, дроссели и двигатели создают поле, которое может смещать показания. Датчик размещают с учётом направления помех, используют дифференциальные архитектуры, экранирование или калибровку только тогда, когда их эффективность подтверждена испытанием.