4.2 Датчик тока на эффекте Холла
4.2.1 Эффект Холла
Эффект Холла лежит в основе одной из распространенных технологий бесконтактной регистрации приближения, перемещения и скорости вращения ферромагнитных объектов.
Рисунок 11 - Сущность эффекта Холла
Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Сущность эффекта Холла состоит в том, что при прохождении тока через пластину (Рис. 11) в продольном направлении под влиянием магнитного поля возникает на краях пластинки в поперечном направлении разность потенциалов, обусловленная законом Лоренца (под влиянием магнитного поля токоносители смещаются к краю пластины). Эта разность потенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения напряженности поля и тока H•I.
При отсутствии магнитного поля поток электронов не искажается. При наличии магнитного поля силы Лоренца отклоняют электроны и искривляют их траектории. Это направление траекторий приводит к появлению отрицательных зарядов на одной стороне пластины. На противоположной стороне накапливается нескомпенсированный положительный заряд. Накопление зарядов на противоположных гранях пластинки приводит к появлению поперечного электрического поля, которое получило название поле Холла. Такое накопление зарядов продолжается, пока возникающая поперечная ЭДС не скомпенсирует силы, создаваемые магнитным полем. После этого установится стационарный процесс, при котором электроны движутся параллельно граням пластины, как и при отсутствии магнитного поля.
Существует несколько разновидностей датчиков тока на эффекте Холла [3].
4.2.2 Датчик тока прямого усиления
Датчики предназначены для безконтактного измерения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазонах ±40…950 А. Структура приборов приведена на рис. 12.
Рисунок 12 - Структура датчика тока прямого усиления
Такие датчики обладают повышенной температурной стабильностью и нелинейностью характеристики. Датчики имеют аналоговый выход, напряжение на котором прямо пропорционально величине тока, протекающего через контролируемый проводник. При нулевом токе на выходе действует напряжение смещения, равное половине напряжения источника питания. Размах выходного напряжения и, соответственно, чувствительность линейно зависят от напряжения источника питания (пропорциональный выход,
0.25Uпит < Uвых < 0.75 Uпит). Дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника с током вокруг кольца магнитопровода датчика.
4.2.3 Датчик тока компенсационного типа
Компенсационные датчики тока позволяют бесконтактным способом измерять постоянный, переменный и импульсный токи в диапазонах
±5, ±1200 А. Структура приборов приведена на рис. 13.
Рисунок 13 – Структура датчика тока компенсационного типа
Ток, протекающий через контролируемый проводник, создает магнитное поле, пропорциональное величине этого тока, которое концентрируется внутри кольцевого магнитопровода и воздействует на линейный интегрированный датчик Холла. Сигнал датчика усиливается УПТ, нагрузкой которого является катушка ООС. Катушка создает в магнитопроводе противоположное по направлению магнитное поле, полностью компенсирующее исходное. Выходом датчика служит второй вывод катушки. Таким образом, выходной сигнал — это ток, пропорциональный величине тока в контролируемом проводнике и числу витков катушки обратной связи (Івых ~ IN).
К примеру, датчик с катушкой 1000 витков формирует выходной ток в 1 мА на 1 А измеряемого тока. Токовый выход конвертируется в вольтовый при помощи внешнего резистора, рекомендованные значения которого всегда приводятся в технической документации на датчик. Дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника вокруг кольца магнитопровода датчика или установкой перемычек, задающих число витков внутренней компенсационной катушки датчика.