Датчик тока на эффекте Холла

Американец Эдвин Герберт Холл в 1879 г. обнаружил эффект, впоследствии названный его именем [1]. Эффект Холла состоит в возникновении электрического поля и разности потенциалов на краях полупроводниковой пластинки, по которой пропускают ток и на которую воздействует магнитное поле. Электрическое поле оказывается перпендикулярным магнитному полю и плоскости, в которой протекает ток. Под действием силы Лоренца происходит отклонение электронов к одному из краев пластинки, а в противоположном — накопление дырок, и между этими зонами возникает ЭДС, именуемая ЭДС Холла. Эта ЭДС тем больше, чем сильнее протекающий по полупроводниковой пластинке ток и чем значительнее магнитная индукция.

Предлагаемое устройство, принцип действия которого основан на эффекте Холла, может быть использовано для обнаружения превышения током в проводнике порогового значения и сигнализации об этом. Схема устройства представлена на рис.1. Примененный датчик Холла марки VHE-101B не имеет встроенного усилителя. При введении его в магнитное поле, например, постоянного магнита возникает ЭДС Холла величиной примерно 35 мВ. Датчик Холла располагают в зазоре ферромагнитного концентратора, который можно изготовить из трансформаторного железа либо пермаллоя для отслеживания тока с частотой до нескольких килогерц, или из феррита для регистрации тока с частотой до десятков килогерц.

Концентратор на тороидальном магнитопроводе с зазором необходим для повышения чувствительности датчика. На магнитопровод уложена обмотка из провода, по которому протекает подлежащий регистрации ток. Число витков — не критично (от одного и до заполнения окна сердечника). Индукция магнитного потока, проходящего сквозь датчик Холла, тем выше, чем больше число витков обмотки, сила протекающего по ней тока и чем меньше толщина немагнитного зазора в сердечнике. Другими словами, чем больше число витков обмотки и тоньше зазор, тем выше чувствительность датчика тока. Но если немагнитный зазор будет чересчур мал, то сердечник может войти в насыщение. Важна также взаимная ориентация концентратора и рабочей плоскости датчика Холла.

При протекании тока по проводнику в определенном направлении на выходе датчика Холла возникает напряжение. Оно усиливается операционным усилителем DA1. Когда величина тока превышает заданный порог, срабатывает светодиод HL1, подключенный к выходу усилителя. А если ток протекает в противоположном направлении либо его величина недостаточна для срабатывания устройства, светодиод не загорается. К светодиоду подсоединены выходные клеммы устройства. Сигнал на них может использоваться в различной аппаратуре для контроля наличия тока.

Элементы R1, VD1 — параметрический стабилизатор напряжения, конденсатор С1 — фильтрующий. Резистор R2 определяет ток, протекающий через датчик Холла. С выходов датчика Холла сигнал поступает на входы операционного усилителя DA1. Резистор R5 ограничивает ток светодиода HL1. Помимо индикации превышения тока, светодиод ограничивает выходное напряжение устройства, не позволяя ему превысить 3,8 В при использовании светодиодов синего свечения (ARL2-5213UBC или ARL2-3214UBC). Конденсатор С2 является элементом коррекции DA1.

Устройство потребляет ток 20 мА. Его можно питать от батареи «Крона» с номинальным напряжением 9 В. Минимальное напряжение, при котором сохраняется работоспособность, составляет 7,5 В, максимально допустимое напряжение — 12В.

Детали датчика размещены на печатной плате, чертеж которой и расположение компонентов показаны на рис.2, а внешний вид после вклеивания (эпоксидным компаундом) датчика Холла в зазор концентратора — на рис.3.

Постоянные резисторы, используемые в устройстве, могут быть любые малогабаритные. Стабилитрон VD1 марки КС170А можно поменять на КС175А, 1 N4737A, BZX85C-7V5, ZPY7V5 или ZY7.5. Вместо импортного датчика Холла марки VHE-101В можно взять отечественный прибор марки ДКХ-0,5, однако при такой замене придется увеличить сопротивление резистора R2 примерно до 620 Ом, чтобы протекающий по датчику ток составлял 3 мА.

Экспериментальная зависимость постоянного тока срабатывания, текущего по навитой на концентратор обмотке, от числа витков этой обмотки представлена на рис.4. График снят при использовании концентратора, изготовленного из тороидального ферритового магнитопровода М3000НМ-А типоразмера К31х18,5×7 с толщиной немагнитного зазора 2,0 мм. Для создания зазора использовалось ножовочное полотно по металлу и шлифовальная бумага. Зазор в магните-проводе выполнен в виде сквозного пропила, в который вставлен датчик Холла, что экранирует последний от наводок магнитных полей окружающей среды и повышает помехоустойчивость датчика.

Устройство, собранное из исправных деталей и точно по схеме, должно начать работать сразу. На резисторе R2 должно падать постоянное напряжение около 2,2 В (обычно от 2,05 В до 2,38 В). Постоянное напряжение между токовыми выводами датчика Холла VB1 должно составлять ориентировочно 5 В (обычно от 4,74 В до 5,20 В). А между каждым из выходов VB1 (на входах 2 и 3 DA1) и общим проводом должно присутствовать постоянное напряжение примерно 2,5 В (обычно от 2,38 В до 2,57 В).

Скорректировать чувствительность датчика, а, следовательно, отрегулировать ток срабатывания можно подбором резисторов R3 и R4, толщины зазора, числа витков обмотки и положения датчика Холла по отношению к зазору концентратора.

Достоинство описываемого устройства по сравнению с резистором-шунтом — низкое энергопотребление (рассеивает мощность всего в 0,18 Вт). Кроме того, в нем отсутствует гальваническая связь между входной и выходной цепями. Некоторым недостатком данного устройства является относительно низкое быстродействие. Частота переменного тока, силу которого теоретически способно отследить данное устройство, не превышает 100 кГц.

Литература
1. Москатов Е. А. Основы электронной техники: Учебное пособие. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2010. — 378с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *