Проектирование печатной платы для датчика тока по заданным техническим условиям

Современная практика и академические исследования требуют измерений высоких токов — до 1÷2 МА. Токи могут быть постоянными, переменными и импульсными, с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200÷500 кА — широко применяется в устройствах для электролиза алюминия. Большие переменные токи — до 150÷200 кА — встречаются в мощных дуговых электропечах. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер.
Надежное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании играет ключевую роль в обеспечении высокой надежности и безопасности промышленных систем и электронных устройств. Специализированные датчики также используются для обнаружения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска систем защиты, выявления отказов в электрооборудовании и аварийных ситуаций различных типов нагрузки.
Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко распространены четыре: резистивный, магнитооптический, на основе эффекта Холла и трансформатор тока; последний может использоваться только в цепях переменного тока. Датчики тока, основанные на указанных методах, обладают своими преимуществами и недостатками, определяющими области их применения.
Резистивные датчики являются наиболее доступными, линейными и точными. Однако они обладают потерями, вносимыми в цепь измерения, отсутствием гальванической развязки, ограничением полосы пропускания, обусловленным паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также самонагревом и термо-ЭДС при больших токах, что снижает точность измерений.
Низкоиндуктивные измерительные резисторы представляют собой более дорогое решение, однако они могут использоваться для измерения токов в широком диапазоне частот, включая несколько мегагерц. Для усиления или обработки напряжения, возникающего на токочувствительном резисторе, необходимо применение дифференциального усилителя или компаратора, обладающего необходимым коэффициентом усиления с обязательным учетом близости к питающим напряжениям.
Первые промышленные датчики, основанные на эффекте, открытом американским физиком Эдвином Холлом в 1897 году, были разработаны в конце 1960-х годов. Однако широкое применение интегральных и гибридных датчиков тока, основанных на эффекте Холла, долгое время ограничивалось их высокой стоимостью. К началу 1990-х годов были разработаны новые технологии, которые позволили значительно снизить себестоимость производства ячеек Холла и интегральных схем, основанных на этом эффекте. Это способствовало стремительному росту предложения промышленных датчиков тока и других Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.магниточувствительных полупроводниковых устройств. (рис. 1).
Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах проводника или полупроводника, помещенного перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Для м
еди напряжение Холла составляет 24 мкВ/кГс, а для полупроводника — более ±110 мВ/кГс (с учетом направлений магнитного поля и тока), что позволяет использовать этот эффект для создания промышленных датчиков тока. Главными преимуществами таких датчиков являются отсутствие потерь и естественная гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально воздействующему магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, устройства на основе ячейки Холла обладают более узким частотным диапазоном, паразитным напряжением смещения (в некоторых конструкциях), низкой точностью, высокой стоимостью и требованием к внешнему источнику питания для работы.
На изображениях 2а и 2б наглядно представлены две основные конфигурации датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутая и замкнутая, где Iprimary обозначает ток в первичной цепи, Isecondary – ток во вторичной цепи, а Vout – выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи. Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обладают высокой точностью, более широкой полосой пропускания в несколько раз, и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональна числу витков в компенсирующей обмотке, однако по стоимости они приближаются к трансформаторам тока.