4.2 Датчик струму на ефекті Хола
4.2.1 Ефект Хола
Рисунок 11 - Суть ефекту Хола
Ефект Хола відкритий американським фізиком Едвіном Холом в 1879 році. Суть ефекту Хола полягає в тому, що при проходженні струму через пластину (рис. 11) в подовжньому напрямі під впливом магнітного поля виникає на краях пластинки в поперечному напрямі різниця потенціалів, обумовлена законом Лоренца (під впливом магнітного поля струмоносії зміщуються до краю пластини). Ця різниця потенціалів (ЕДС) пропорційна величині векторного твору напруженості поля і струму H•I.
За відсутності магнітного поля потік електронів не спотворюється. За наявності магнітного поля сили Лоренца відхиляють електрони і скривлюють їх траєкторії. Це напрям траєкторій приводить до появи негативних зарядів на одній стороні пластини. На протилежній стороні накопичується позитивний заряд, що не компенсується. Накопичення зарядів на протилежних гранях пластинки приводить до появи поперечного електричного поля, яке отримало назву поле Хола. Таке накопичення зарядів продовжується, поки виникаюча поперечна ЕДС не компенсуватиме сили, що створюються магнітним полем. Після цього встановиться стаціонарний процес, при якому електрони рухаються паралельно граням пластини, як і за відсутності магнітного поля.
Існує декілька різновидів датчиків струму на ефекті Хола [3].
4.2.2 Датчик струму прямого посилення
Датчики призначені для безконтактного вимірювання постійного, змінного і імпульсного струмів в діапазонах ±40…950 А. Структура приладів приведена на рис. 12.
Рисунок 12 - Структура датчика струму прямого посилення
Такі датчики володіють підвищеною температурною стабільністю і нелінійністю характеристики. Датчики мають аналоговий вихід, напруга на якому прямо пропорційна величині струму, що протікає через контрольований провідник. При нульовому струмі на виході діє напруга зсуву, рівна половині напруги джерела живлення. Розмах вихідної напруги і, відповідно, чутливість лінійно залежать від напруги джерела живлення (пропорційний вихід 0.25Uживл < Uвих < 0.75 Uживл). Додаткове регулювання чутливості проводиться шляхом збільшення числа витків провідника із струмом навколо кільця магнітопровода датчика.
4.2.3 Датчик струму компенсаційного типу
Компенсаційні датчики струму дозволяють безконтактним способом вимірювати постійний, змінний і імпульсний струми в діапазонах ±5, ±1200 А. Структура приладів приведена на рис. 13.
Рисунок 13 – Структура датчика струму компенсаційного типу
Струм, що протікає через контрольований провідник, створює магнітне поле, пропорційне величині цього струму, яке концентрується всередині кільцевого магнітопровода і впливає на лінійний інтегрований датчик Хола. Сигнал датчика посилюється УПТ, навантаженням якого є котушка ООС. Котушка створює в магнітопроводі протилежне по напряму магнітне поле, повністю компенсуюче початкове. Виходом датчика служить друге виведення котушки. Таким чином, вихідний сигнал - це струм, пропорційний величині струму в контрольованому провіднику і числу витків котушки зворотного зв'язку (Івих ~ IN).
Наприклад, датчик з котушкою 1000 витків формує вихідний струм в 1 мА на 1 А вимірюваного струму. Струмовий вихід конвертується у вольтовий за допомогою зовнішнього резистора, рекомендовані значення якого завжди приводяться в технічній документації на датчик. Додаткове регулювання чутливості проводиться шляхом збільшення числа витків провідника навколо кільця магнітопровода датчика або установкою перемичок, задаючих число витків внутрішньої компенсаційної котушки датчика.