Melexis: микросхема для создания любого датчика тока

Интегральные датчики тока, осуществляющие измерения в диапазоне от единиц до тысяч ампер для различных видов токов и типов проводников? Все, что вам нужно – внешние магнитные экраны и интегральные планарные датчики тока, выпускаемые компанией Melexis.

В современной технике датчики тока играют очень важную роль. Они могут использоваться для высокоточных измерений в лабораторном оборудовании или приборах учета ресурсов, для организации обратных связей по току в многоконтурных системах управления, при обеспечении защиты аппаратуры от аварийных перегрузок. Соответственно, к датчикам тока могут предъявляться самые разные комплексы требований в отношении их рабочих диапазонов, точности, стабильности, разрешающей способности, быстродействия, возможности измерений постоянного тока, гальванической развязки, условий применения, массогабаритных характеристик, рассеиваемой мощности в силовой цепи датчика и потребления на собственные нужды, а также – по стоимости изготовления и ввода в эксплуатацию. Поэтому широко используются разнообразные классы датчиков тока:

на основе измерения падения напряжения на образцовом активном сопротивлении при протекании через него контролируемого тока;
с использованием трансформаторов переменного тока;
на основе различных преобразователей магнитного поля, создаваемого током, в выходной сигнал – напряжение Холла, магнитозависимое изменение сопротивления, переключение магнитоуправляемого контакта, поворот плоскости поляризации света.

Поскольку доминирующей тенденцией для современной техники является стремление к миниатюризации решений, снижению стоимости владения и расширению универсальности применения оборудования, все более широкое использование получают датчики тока на основе микросхем с интегрированными элементами Холла.

Микросхемы с элементами Холла

В рамках этой концепции возможны два различных способа контроля тока. Первый, более традиционный вариант предполагает установку микросхемы с элементом Холла в сравнительно тонком немагнитном зазоре, который специально оставляется у ферромагнитного сердечника, охватывающего проводник с измеряемым током. Варианты компоновки такого датчика тока показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Датчик тока с микросхемой Холла, установленной в немагнитном зазоре сердечника, рас-положенного вокруг проводника

Важные особенности этих датчиков:

принципиально необходим ферромагнитный сердечник, охватывающий проводник с контролируемым током;
немагнитный зазор сравнительно мал (2…5 мм), не зависит от диапазона измеряемых токов (кроме случаев очень большого протекающего тока) и определяется, в основном, толщиной корпуса микросхемы с элементом Холла;
сердечник обеспечивает концентрацию магнитного поля измеряемого тока и, одновременно, экранирует большинство паразитных магнитных полей, в частности, индуцированных токами, протекающими по другим проводникам;
измеряемое магнитное поле в зазоре сердечника направлено перпендикулярно к поверхности чипа;
магнитная индукция в зазоре (в зоне установки элемента Холла) почти не зависит от поперечного смещения микросхемы, но, с другой стороны, достаточно сильно зависит от толщины зазора;
размеры сердечника достаточно велики (много больше, чем, например, размеры магниточувствительной микросхемы);
сложно установить датчик с замкнутым сердечником на проводник с измеряемым током;
паразитные параметры ферромагнитного сердечника: магнитное насыщение, магнитный гистерезис, вихревые токи при быстром перемагничивании, температурная зависимость характеристик – принципиально ограничивают достижимые свойства датчика тока.

Основное соотношение, определяющее чувствительность датчиков токов с охватывающим сердечником, вычисляется по формуле:

где B – индукция в зазоре (перпендикулярно поверхности чипа), мТл;

I – измеряемый ток (если сердечник охватывает один проводник), А;

d – толщина немагнитного зазора, мм.

Планарные датчики тока

Недостатки традиционной конструкции датчиков тока с ферромагнитным сердечником, охватывающим проводник, стимулировали разработку новой концепции: планарных датчиков тока. Они могут быть выполнены без внешнего ферромагнитного сердечника, чувствительны к касательной составляющей индукции магнитного поля, параллельной поверхности чипа, и имеют интегрированный в микросхему концентратор поля. Принцип работы этих датчиков тока показан на рисунке 2. Магнитное поле, создаваемое плоским или круглым проводником с током, концентрируется двумя плоскими восьмиугольниками из аморфного ферромагнитного материала, имеющего очень высокую магнитную проницаемость. В зазоре между ними установлен датчик Холла. В зависимости от геометрических размеров концентраторов регулируется доля магнитного потока, которую они стягивают на себя и подводят к зоне, где размещается элемент Холла. Таким образом, могут быть созданы датчики как для сравнительно небольших, так и для очень больших токов.

Рис. 2. Принцип измерения тока с помощью планарного датчика без внешнего ферромагнитногосердечника

Рис. 3. Сравнительные размеры исполненийконцентраторов внешнего магнитного поля длямикросхем

Планарные датчики тока привлекательны малыми габаритами, фактически задаваемыми размером корпуса микросхемы, и простотой их установки вблизи проводника с измеряемым током. Значительное усиление магнитного поля концентратором позволяет получить достаточно хорошую чувствительность датчика и большое отношение полезного сигнала к шуму. Вместе с тем, отсутствие ферромагнитного сердечника определяет значительное влияние паразитных магнитных полей от других проводников и катушек с током, а также от постоянных магнитов. В некоторых случаях помехи можно снизить до приемлемого уровня правильным взаимным расположением микросхемы датчика, проводника с измеряемым током и источников паразитных магнитных полей. Если этого оказывается недостаточно, применяют магнитные экраны. Фактически их роль аналогична сердечнику в датчиках традиционной конструкции, но требования оказываются значительно слабее, поэтому такие экраны имеют достаточно простую форму, не мешающую установке датчика на проводник с током и не сильно увеличивающую его габарит.

Планарные датчики для слабых и сильных токов

Для использования планарных датчиков в широком диапазоне контролируемых токов выпускается несколько исполнений микросхем с разной величиной концентраторов магнитного поля. На рисунке 3 показано примерное соотношение размеров концентраторов у вариантов микросхем для сравнительно слабых токов (для малой напряженности магнитного поля) – LF, для больших токов и, соответственно, сильных полей – HF, и для очень сильных полей – VHF. У микросхем, оптимизированных для работы в слабых магнитных полях, интегрированный концентратор собирает поток с большего объема пространства, что обеспечивает наибольшую чувствительность этих датчиков. При малых размерах концентраторов (и одинаковых для всех исполнений свойствах полупроводникового чипа) чувствительность получается меньше. На рисунке 4 показаны диапазоны программирования чувствительности у разных исполнений микросхем. По тем же причинам у микросхем, оптимизированных для работы в слабых магнитных полях, магнитное насыщение концентратора наступает при меньшей напряженности внешнего магнитного поля. Микросхемы с меньшими размерами концентраторов сохраняют достаточно высокую линейность отклика даже в сравнительно сильных внешних полях (рисунок 5).

Рис. 4. Диапазоны программирования чувствительности микросхем для планарных датчиков тока

Рис. 5. Рабочие диапазоны (по величине магнитной индукции внешнего поля) для различныхопций микросхем планарных датчиков

Микросхемы планарных датчиков тока от Melexis

Рис. 6. Расчетная схема планарного датчикатока с плоским проводником, не использующе-го магнитный экран

Основные параметры микросхем для планарных датчиков тока, выпускаемые компанией Melexis, представлены в таблице 1. Имеется значительный выбор исполнений микросхем по чувствительности к величине внешнего магнитного поля, создаваемого измеряемым током. В совокупности с различными вариантами применения внешних магнитных экранов-концентраторов поля и, при необходимости, с использованием многовитковых цепей измеряемого тока, это позволяет создавать датчики для очень широкого диапазона тока фактически на основе одной и той же микросхемы. Кроме того, данные таблицы 1 показывают ощутимый прогресс характеристик этого семейства микросхем Melexis. Постепенно улучшается доступный пользователю диапазон чувствительности, уменьшается температурный дрейф нулевого уровня и крутизны преобразования «магнитное поле тока – выходное напряжение», увеличивается быстродействие датчика, расширяются допустимые рабочие температуры.

Таблица 1. Микросхемы Melexis для планарных датчиков тока

Параметры Наименование MLX91205 MLX91206 MLX91208 Чувствительность*, мВ/мТл исполнение VHF нет нет 30…200 исполнение HF 100 60…330 50…330 исполнение LF 280 200…700 100…700 Пределы температурного дрейфа чувствительности, % ±2 ±1,5 ±1,5 Пределы дрейфа нулевого уровня, мВ ±50 ±20 ±10 Нелинейность** ±0,5 ±0,5 ±0,5 Время отклика, мкс 8 8 3 Полоса пропускания, кГц 100 100 250 Аналоговый выход есть есть есть Выход с ШИМ нет есть нет Программирование свойств нет есть есть Контроль допустимого напряжения питания нет есть есть Программирование уровней ограничения выходного сигнала нет есть нет Диапазон рабочих температур, °С -40…125 -40…150 -40…150 Корпус SOIC-8 SOIC-8 SOIC-8

Расчетная схема планарного датчика тока, не использующего дополнительный магнитный экран, показана на рисунке 6. Индукция внешнего магнитного поля измеряемого тока приблизительно определяется следующим выражением:

где B – магнитная индукция (силовые линии поля проходят касательно поверхности чипа), мТл; I – измеряемый ток (если используется только один виток проводника), А; W – ширина плоского проводника с измеряемым током, мм; H – высота расположения концентраторов микросхемы над проводником.

Формула дает ориентировочное значение индукции, и такой датчик в общем случае требует калибровки передаточной характеристики «ток – выходное напряжение» по месту использования после его установки относительно проводника с током. Сравнительно большая длина силовых линий магнитного поля, проходящих по воздуху, определяет пониженную чувствительность датчиков, не использующих экран, а также сильное влияние паразитных источников магнитных полей и собственных погрешностей микросхемы, приведенных к измеряемому току.

Рис. 7. Планарный датчик тока на диапазон 300…700 А с U-образным экраном

Рис. 8. Расчетная схема планарного датчикатока с U-образным экраном

При необходимости получения улучшенных свойств датчика тока целесообразно использовать магнитный экран-концентратор. Универсальным, сбалансированным решением является U-образный экран (швеллер) из ферромагнитного материала с достаточно высокой магнитной проницаемостью, большой индукцией насыщения и подходящими частотными свойствами. На рисунке 7 показано типовое решение для измерения токов в диапазоне 300…700 А с U-образным экраном. Такой экран не создает проблем установки датчика на проводник с измеряемым током, несущественно увеличивает габаритные размеры оборудования и при этом более чем вдвое улучшает его чувствительность, уменьшает влияние собственных погрешностей микросхемы на характеристики датчика и очень серьезно ослабляет влияние магнитных полей других токов. Упрощенная расчетная схема планарного датчика тока с U-образным экраном показана на рисунке 8. Индукция внешнего магнитного поля измеряемого тока приблизительно определяется следующим выражением:

где B – магнитная индукция (силовые линии поля проходят по касательной к поверхности чипа), мТл; I – измеряемый ток (если используется только один виток проводника), А; W – расстояние между боковыми стенками U-образного экрана, мм.

Толщина стенок экрана зависит от величины измеряемых токов, расстояния между боковыми стенками и используемого материала. Во многих случаях хорошие характеристики датчика достигаются при изготовлении экрана из средненикелевого пермаллоя, например, сплава Supra50. Другие размеры швеллера (высота боковых стенок и длина вдоль проводника) выбираются из соображений адекватной защиты микросхемы от паразитных магнитных полей и обычно составляют 12…15 мм. Для ориентира в таблице 2 представлены рациональные параметры планарных датчиков тока с U-образным экраном для трех значений величины максимального измеряемого тока: 250, 500 и 1000 А. Использование микросхем Melexis позволяет реализовать компактные датчики для различных значений тока фактически с использованием одного и того же типа микросхемы.

Таблица 2. Референтные параметры проектов планарных датчиков с U-образным экраном

Пиковый измеряемый ток датчика, А Размеры U-образного экрана Пиковая величина магнитного поля тока, мТл Параметры микросхемы W – расстояние между боковыми стенками, мм Толщина стенок экрана, мм Исполнение концентратора Чувствительность, мВ/мТл 250 12 0,8 25 HF 80 500 12 1,5 50 VHF 40 1000 20 1,5 60 VHF 35

Использование магнитных экранов позволяет достаточно просто реализовать развязку определенного датчика тока от паразитных магнитных полей, создаваемых другими токами. На рисунке 9 показан пример построения датчиков тока в трехфазной системе. U-образные магнитные экраны концентрируют (каждый – на свою микросхему) поле, наведенное током, протекающим в определенной фазе, и шунтируют поля «чужих» фаз. Благодаря этому, решение получается простым в проектировании и монтаже, хорошо предсказуемым и стабильным. Также рисунок 9 иллюстрирует совместное концентрирующее действие внешнего U-образного экрана и интегрированного в микросхему концентратора поля, стягивающих силовые линии магнитного поля в зону расположения датчика Холла.

Рис. 9. Организация контроля токов в трехфазной системе с использованием планарных датчиковтока и U-образных экранов

Рис. 10. Вариант решения, обеспечивающегоразвязку двух планарных датчиков тока, неиспользующих магнитные экраны

При необходимости дальнейшего снижения стоимости решения и приемлемости некоторого ухудшения точности работы датчиков, могут применяться варианты, не использующие магнитный экран. В качестве примера на рисунке 10 показан способ развязки двух планарных датчиков тока в многофазной системе, не использующих экраны. В каждой фазе с помощью специальных просечек на проводниках осуществляется локальный разворот направления вектора измеряемого тока почти перпендикулярно к глобальному направлению его протекания. Соответственно, и микросхемы для измерения тока, установленные как раз в зоне локального поворота вектора тока, развернуты на 90° относительно их нормального расположения для контроля тока в данном проводнике. Благодаря этому микросхемы оказываются практически нечувствительными к полям токов фаз, протекающим вдоль проводников (имеется только небольшой остаточный сигнал, обусловленный погрешностями установки микросхем на проводники по сравнению с проектным расположением). В сочетании с пространственным разнесением (по длине проводников) мест локальных поворотов токов в разных фазах, планарный датчик тока определенной фазы почти не чувствует магнитных полей токов других фаз: от продольных токов – поскольку микросхема развернута к ним перпендикулярно, а от локальных поворотов – поскольку размеры этих участков малы и они находятся достаточно далеко. Могут быть и другие способы выделения полезного сигнала планарного датчика тока на фоне паразитных магнитных полей, например, благодаря разнице в их спектрах.

Демонстрационные проекты планарных датчиков тока от Melexis

Для ускорения проектирования планарных датчиков тока и гарантированного достижения достаточно высоких характеристик Melexis предлагает пользователям типовые разработки на самые разные диапазоны измеряемых токов:

Для измерения небольших токов 2…10 А, протекающих по проводникам печатной платы. При этом демонстрируются варианты решений с многовитковыми катушками (3 или 6 витков), обтекаемыми контролируемым током без использования магнитного экрана или с достаточно простым U-образным экраном, в зависимости от требований к чувствительности и точности датчиков. В качестве альтернативного предлагается проект с одним витком тока и экраном более сложной С-образной формы, который обеспечивает высокую концентрацию поля на микросхему. При этом пользователя знакомят с разными вариантами установки C-образного экрана на плату.
Для измерения токов на печатной плате в диапазоне 10…50 А. Используется один проводник (виток) с применением U-образного экрана или без него. Соответственно, достигается коэффициент передачи планарного датчика 170 или 60 мВ/А.
Для прямой установки печатной платы с микросхемой MLX91206 версии HF на плоскую медную шину 12х2 мм и использования U-образного экрана. При измерении токов до ±250 А нелинейность передаточной характеристики не превышает 1,5 А. Несмотря на простоту и низкую стоимость такого датчика, он обеспечивает высокую устойчивость к паразитным магнитным полям, механическим вибрациям и смещениям микросхемы.
Для прямой установки на шину с током и измерений в диапазоне 300…700 А. Датчик показан на рисунке 7. Он обеспечивает нелинейность менее 5 А в диапазоне измеряемых токов ±650 А.
Пример двухдиапазонной разработки. На одной и той же шине с током расположен планарный датчик на ±5 А (С-образный экран-концентратор, крутизна 400 мВ/А при погрешности в пределах 20…25 мА) и датчик на ±200 А (U-образный экран, крутизна 10 мВ/А при погрешности в пределах 200 мА). Благодаря компактности датчиков, не возникает проблем с их размещением на шине, а высокая перегрузочная способность по измеряемому току обеспечивает совместную работу в исключительно широком диапазоне с высокой относительной точностью при малых токах.
Планарные датчики тока 10…100 А для кабелей круглой формы.

Рис. 11. Планарный датчик тока ±2 А с много-витковой катушкой измеряемого тока и внеш-ним магнитным экраном

Для измерения очень малых токов (до ±2 А) можно использовать многовитковые катушки, выполненные на изолированном каркасе и обтекаемые контролируемым током. Выбором должного количества витков в сочетании с относительным расположением катушки и микросхемы можно добиться оптимальной чувствительности (полное использование динамического диапазона датчика при данном значении максимального тока). Высокая диэлектрическая прочность каркаса позволяет конструировать датчики с большим допустимым напряжением между цепью измеряемого тока и выходным сигналом микросхемы. При необходимости такой датчик может иметь внешний магнитный экран для улучшения чувствительности и защиты от паразитных магнитных полей (рисунок 11).

Для опробования характеристик планарных датчиков тока компания Melexis выпускает демонстрационный набор DVK91206. Он содержит три варианта печатных плат, на которые можно распаять MLX91206. Платы позволяют выбрать разное число витков, по которым протекает ток. В набор входят также семь микросхем MLX91206 с различными вариантами чувствительности (см. примечания к таблице 1) и три U-образных экрана. В совокупности набор позволяет реализовать значительное количество вариантов планарных датчиков тока и исследовать их характеристики.

Заключение

Компания Melexis выпускает серию микросхем для реализации высококачественных планарных датчиков тока, которые обладают комплексом привлекательных характеристик. Комбинируя различные варианты этих микросхем, отличающихся размерами интегрированных концентраторов и программно устанавливаемой чувствительностью, и внешние магнитные экраны, можно реализовать малогабаритные датчики тока в диапазоне от единиц до тысяч ампер.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎