Датчик холла для измерения силы тока

Измерение токов до 1 кА с датчиком Холла MLX91208CAV

Melexis MLX91208

Датчики тока MLX91208 от компании Melexis созданы с использованием технологии IMC-Hall ® . Они представляют собой универсальное решение для самых разных приложений. Универсальность заключается в том, что MLX91208 можно применять для измерения токов в печатных проводниках, кабелях и в массивных шинах. При этом, для MLX91208CAV максимальный ток достигает 1000 А! Еще одним ключевым достоинством MLX91208 является соответствие автомобильному стандарту AEC-Q100, что позволяет использовать эти микросхемы в электрооборудовании современных автомобилей и электромобилей.

Рис. 1.	Датчики тока с технологией IMC-Hall от Melexis.

Существует три основных инструмента для измерения тока: шунтовые датчики, трансформаторы тока и датчики Холла. Каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки. Причем последние два варианта являются бесконтактными решениями, что очень часто становится ключевым фактором при их выборе.

Если сравнивать трансформаторы тока и датчики Холла, то датчики Холла имеют несколько преимуществ. К ним стоит отнести компактные габариты, бюджетную стоимость, простоту интеграции в измерительные системы и высокую точность.

Важно отметить, что даже если используются датчики Холла, то система измерения может иметь значительные габариты (Рис. 2). В ее состав обязательно входит дополнительный магнитный сердечник. Он выступает как концентратор магнитного поля и как экран одновременно. Стандартный датчик Холла располагается в зазоре сердечника перпендикулярно к линиям поля.

Рис. 2.	Принцип измерения тока в проводнике.

Компания Melexis, потратив более десяти лет на научные исследования, предложила совершенно новую технологию IMC-Hall® для создания датчиков Холла (Рис. 3). В отличие от стандартного решения, они не требуют дополнительного внешнего магнитного сердечника. Вместо этого используется встроенный концентратор магнитного поля в виде двух плоских сердечников с очень высокой магнитной проницаемостью.

Рис. 3.	Принцип работы датчика тока с технологией IMC-Hall.

Принцип работы таких датчиков идентичен функционированию обычных датчиков Холла. Однако при этом используется не перпендикулярное, а параллельное магнитное поле. Это значит, что проводник с током должен находиться параллельно корпусу сенсора.

Технология IMC-Hall не требует обязательного наличия магнитного сердечника. Если требуется высокая точность измерений в условиях значительных внешних магнитных полей, возможно применение дополнительного экрана. Следует особо подчеркнуть, что это именно экран, поэтому он оказывается гораздо более компактным, чем магнитный сердечник.

Датчики MLX91208 построены по технологии IMC-Hall и отличаются целым рядом преимуществ:

• простота реализации (требуется всего несколько внешних компонентов);
• простота и универсальность монтажа: измерение токов печатных проводников, кабелей, шин;
• не требуется массивного магнитного внешнего сердечника;
• возможность создания сверхкомпактных многодиапазонных решений;
• возможность программирования чувствительности и других характеристик;
• соответствие требованиям AEC-Q100.

Семейство датчиков MLX91208 объединяет нескольких представителей с различными уровнями чувствительности.

MLX91208CAV – интегральный датчик, используемый для измерения токов до 1000 А. Он имеет номинальную чувствительность 60 мВ/мТл, но может быть перепрограммирован для значений 30/ 40/ 60/ 200 мВ/мТл. Датчик способен работать на частотах до 200 кГц включительно с минимальной задержкой сигнала всего 3 мкс.

В состав MLX91208CAV уже входят все необходимые функциональные блоки: усилители, схема питания, память, генератор, планировщик (Рис. 4). В результате схема включения требует всего четырех внешних пассивных компонентов.

Рис. 4.	Структурная схема датчиков тока MLX91208.

MLX91208CAV станет идеальным решением для измерения токов в печатных проводниках, например, в автомобильных силовых модулях. Важно отметить, что даже если MLX91208CAV будет использоваться вместе с дополнительным экраном, измерительная система сохранит малые габариты (Рис. 5).

Рис. 5.	Пример измерения тока печатного проводника с помощью MLX91208.

С помощью MLX91208CAV также легко создавать решения для измерения токов в кабелях (Рис. 6) и массивных шинах (Рис. 7). При этом для обеспечения точности в широком диапазоне токов разрешено размещать несколько датчиков с различной чувствительностью на одном и том же проводе или шине.

Рис. 6.	Пример измерения тока провода с помощью MLX91208.
Рис. 7.	Пример измерения тока массивной шины с помощью MLX91208.

Чтобы не было сомнений в надежности представленной технологии, стоит подчеркнуть, что датчики MLX91208 прошли сертификацию AEC-Q100 и идеально подходят для работы в составе автотракторного электрооборудования. Впрочем, MLX91208 могут применяться и в других приложениях: сварочные аппараты, генераторы, зарядные устройства, инверторы, промышленные привода электродвигателей, защитные расцепители и т. д.

Для ознакомления с возможностями семейства микросхем MLX91208 компания Melexis предлагает использовать отладочный набор DVK91208 (Рис. 8). Он включает в себя по три микросхемы MLX91208-CAL и MLX91208-CAH, три печатных платы (PCB_EC01/02/03), на которые можно распаять датчики. В комплект входят также два П-образных и три С-образных экрана.

Печатные платы PCB_EC0x отличаются максимальными допустимыми токами, размерами и типом используемых сердечников. Например, PCB_EC01 позволяет пропускать токи до 30 А и использовать сердечники обоих типов.

Рис. 8.	Отладочный набор DVK91208.

Начиная с семейства MLX91206, все датчики тока от Melexis имеют возможность программирования. Для этого используется фирменный программатор PTC-04 и специальное ПО.

Характеристики микросхемы датчика Холла MLX91208LDC-CAV:

• Номинальная чувствительность: 60 мВ/мТл;
• Программируемые значения чувствительности: 30/ 40/ 60/ 200 мВ/мТл;
• Диапазон частот: 0…200 кГц;
• Задержка сигнала: 3 мкс;
• Типовой ток потребления: 12 мА;
• Напряжение питания: 5 В (4.5…5.5 В);
• Диапазон рабочих температур: -40…+150 °C;
• Корпусное исполнение: SOIC-8.

Состав отладочного набора DVK91208:

• Три микросхемы MLX91208-CAH;
• Три микросхемы MLX91208-CAL;
• Плата PCB_EC01 (36.8 × 30.5 × 1.6 мм) для токов до 30 А (ср.кв.) и сердечников типа C и U;
• Плата PCB_EC02 (36.8 × 30.5 × 2.0 мм) для токов до 30 А (ср.кв.) и сердечников типа U;
• Плата PCB_EC02 (42.0 × 35.0 × 1.5 мм) для токов до 7 А (ср.кв.) и сердечников типа U;
• Три сердечника типа U;
• Три сердечника типа C.

О компании:

Melexis – компания, специализирующаяся на разработке и производстве микросхем для автомобильной электроники. Номенклатура производителя включает широкий перечень компонентов: датчики (тока, давления, температуры, положения, скорости), контроллеры двигателей (бесколлекторных и постоянного тока), микросхемы интерфейсов (LIN), оптические компоненты, беспроводные микросхемы (радиотрансиверы, NFCи т.д.), микроконтроллеры и многие другие.

Источник

Датчики Холла: принцип работы, типы, применение, как проверить

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения U_холла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

• Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток
• Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

• униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
• биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

• А – проводник.
• В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
• С – аналоговый датчик Холла.
• D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение U_ДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

• А – датчик.
• B – магнит.
• С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

• При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
• В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
• В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

• Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
• Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
• Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
• Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
• В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

• попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
• произошел обрыв сигнального провода;
• в разъем ДП попала вода;
• сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
• порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
• повреждение проводов, подающих питание к ДП;
• перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
• проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
• проблемы с блоком управления;
• неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
• возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

1. Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:

• отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
• запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

Обратим внимание, что для выявления искрообразования высоковольтный проводок должен находиться рядом с массой.

1. Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.

Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

1. Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

1. Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
2. Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, — меняем датчик на новый.

Источник