Микроконтроллеры ATmega (как и некоторые модели семейства ATtiny) имеют 10-битные модули АЦП, которые могут использоваться для измерения аналогового напряжения. Эти АЦП являются логометрическими , то есть они производят измерение относительно некоего базового уровня (обычно Vcc).
В случае Arduino-совместимых плат, которые запитываются стабилизированным напряжением 5 В, это означает, что у вы можете производить измерения в диапазоне 0..5 В, различая уровни 0..1023, достигая при этом разрешения около 5 мВ на шаг.
Если есть “вольтметр”, то рано или поздно возникнет желание контролировать с его помощью напряжение, подаваемое на выводы питания микроконтроллера.
Первое решение, приходящее в голову – соединить ногу Vcc с одним из аналоговых входов и вызвать функцию analogRead(). Не тут то было – какое бы напряжение ни подавалось в качестве питания микроконтроллера, АЦП будет возвращать одну и ту же величину – 1023.
Так как же определить, что за напряжение питает наш микроконтроллер? Ведь это жизненно необходимо при автономном питании, так как может своевременно выявить момент исчерпания заряда батарей.
На помощь может прийти имеющийся в каждой (ну, ладно – почти в каждой) модели ATmega/ATtiny источник опорного напряжения, выдающий ровно (ну, ладно – примерно) 1,1 В. Если мы прочитаем это напряжение, используя в качестве опорного напряжение питания (Vcc), то, выполнив нескольких арифметических действий, сможем получить вожделенное значение. Итак:

• предположим, что наш АЦП вернул значение “x”, которое соответствует напряжению 1.1 В
• имея 5 В в качестве Vcc, мы должны будем получить значение, примерно равное 1100 / 5000 * 1023 = 225
• ну, а если бы то же самое мы проделали бы при Vcc=3.3 В, то должны были получить значение 1100 / 3300 * 1023 = 341
• или в общем случае: 1100 / Vcc * 1023 = x
• выполнив несложные преобразования, найдем, что Vcc = 1100 / x * 1023

То есть, нам необходимо измерить внутреннее опорное напряжение 1,1 В, и тогда мы сможем сказать, что же за напряжение Vcc питает наш микроконтроллер!
“Нормально, Григорий? Отлично, Константин!”
Но погодите радостно потирать руки: к превеликому сожалению широко используемую в Arduino-кругах функцию analogRead() не удастся заставить измерить внутреннее опорное напряжение. Придется идти в обход…

А точнее – заглянуть в даташит и, почерпнув там некоторые сведения, произвести нужное преобразование вручную. Вот так это будет выглядеть для Arduino:

Static int vccRead(byte us =250) { ADMUX = 1<

В код функции vccRead введена задержка us, позволяющая стабилизировать результаты измерений и повысить их точность. Небольшой числовой эксперимент показывает, что оптимальные результаты достигаются при задержке от 100 мкс.

Вот какие результаты получились у меня для разных значений задержки при питании от USB:

	10 мкс	50 мкс	100 мкс	200 мкс	300 мкс
	3049 4278 4295 4137 4167 4311 4311 4152 4121 4311	3827 4829 4871 4808 4748 4829 4850 4829 4829 4808	4669 5068 5091 5068 5068 5091 5091 5068 5068 5091	5138 5138 5138 5138 5161 5138 5138 5138 5161 5138	3641 4688 4768 4768 4688 4748 4768 4768 4748 4650

Подключение датчика тока к микроконтроллеру

Ознакомившись с основами теории, мы можем переходить к вопросу считывания, преобразования и визуализации данных. Другими словами мы спроектируем простой измеритель постоянного тока.

Аналоговый выход датчика подключается к одному из каналов АЦП микроконтроллера. Все необходимые преобразования и вычисления реализуются в программе микроконтроллера. Для отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор.

Экспериментальная схема

Для экспериментов с датчиком тока необходимо собрать конструкцию согласно схеме, приведенной на Рисунке 8. Автор использовал для этого макетную плату и модуль на базе микроконтроллера (Рисунок 9).

Модуль датчика тока ACS712-05B можно приобрести готовый (на eBay он продается совсем недорого), или изготовить самостоятельно. Емкость конденсатора фильтра выбрана равной 1 нФ, по питанию установлен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ. Для индикации включения питания припаян светодиод с гасящим резистором. Питание и выходной сигнал датчика подведены на разъем с одной стороны платы модуля, 2-контактный разъем для измерения протекающего тока расположен с противоположной стороны.

Для экспериментов по измерению тока регулируемый источник постоянного напряжения подключим к токоизмерительным выводам датчика через последовательный резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Выход датчика подключен к порту RA0/AN0 (вывод 17) микроконтроллера. Двухстрочный символьный ЖК индикатор подключен к порту B микроконтроллера и работает в 4-битном режиме.

Микроконтроллер питается напряжением +5 В, это же напряжение используется в качестве опорного для АЦП. Необходимые вычисления и преобразования реализуются в программе микроконтроллера.

Математические выражения, используемые в процессе преобразования, приведены ниже.

Чувствительность датчика тока Sens = 0.185 В/А. При питании Vcc = 5 В и опорном напряжении Vref = 5 В расчетные соотношения будут следующими:

Выходной код АЦП

Следовательно

В итоге, формула для вычисления тока получается следующей:

Важное замечание. Представленные выше соотношения основаны на предположении, что напряжение питания и опорное напряжение для АЦП равны 5 В. Однако последнее выражение, связывающее ток I и выходной код АЦП Count, сохраняет силу даже при флуктуациях напряжения источника питания. Об этом шла речь в теоретической части описания.

Из последнего выражения видно, что разрешение датчика по току составляет 26.4 мА, чему соответствуют 513 отсчетов АЦП, что на один отсчет превышает ожидаемый результат. Таким образом, мы можем заключить, что данная реализация не позволяет измерять малые токи. Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя. Пример такой схемы показан на Рисунке 10.

Программа микроконтроллера

Программа микроконтроллера PIC16F1847 написана на языке Си и скомпилирована в среде mikroC Pro (mikroElektronika). Результаты измерений отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе с точностью до двух десятичных знаков.

Выход

При нулевом входном токе выходное напряжение датчика ACS712 в идеальном случае должно быть строго Vcc/2, т.е. с АЦП должно быть считано число 512. Дрейф выходного напряжения датчика на 4.9 мВ вызывает смещение результата преобразования на 1 младший разряд АЦП (Рисунок 11). (Для Vref = 5.0 В, разрешение 10-битного АЦП будет 5/1024= 4.9 мВ), что соответствует 26 мА входного тока. Заметим, что для уменьшения влияния флуктуаций желательно производить несколько измерений, и затем усреднять их результаты.

Если выходное напряжение регулируемого источника питания установить равным 1 В, через
резистор должен протекать ток порядка 370 мА. Измеренное значение тока в эксперименте - 390 мА, что превышает правильный результат на одну единицу младшего разряда АЦП (Рисунок 12).

Рисунок 12.

При напряжении 2 В индикатор покажет 760 мА.

На этом мы завершим обсуждение датчика тока ACS712. Однако мы не коснулись еще одного вопроса. Как с помощью этого датчика измерять переменный ток? Имейте ввиду, что датчик обеспечивает мгновенный отклик, соответствующий току, протекающему через измерительные выводы. Если ток течет в положительном направлении (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4), чувствительность датчика положительная, и выходное напряжение больше Vcc/2. Если же ток меняет направление, чувствительность будет отрицательной, и выходное напряжение датчика опустится ниже уровня Vcc/2. Это означает, что при измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера и файл для прошивки -

Как известно многие современные микроконтроллеры имеют встроенный многоканальный АЦП, как правило, физически АЦП всего один, а многоканальность обеспечивается с помощью мультиплексирования. Диапазон напряжений с которыми может работать АЦП определяют уровни опорных напряжений(+VREF и -VREF ), они не должны выходить за диапазон питания микроконтроллера. Диапазон напряжений, питающих микроконтроллер, может быть от 0 до 3.3, либо от 0 до 5 вольт. Отсюда становится понятно что измерять отрицательные напряжения АЦП не может, а это бывает необходимо.

Для измерения отрицательных напряжений с помощью АЦП существует несколько способов, во всех примерах будем считать что -VREF = 0 , а +VREF = 5 вольт.

Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -5 до 0.
В таком случае можно применить инвертирующий усилитель, построенный на операционном усилителе(ОУ), с коэффициентом усиления равным -1.

Когда на вход схемы будет приходить -1 вольт, на вход АЦП будет поступать +1 вольт. Если же сигнал, который хотим измерить нужно усилить, достаточно изменить номиналы резисторов R1 и R2.

Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -15 до 0.
В таком случае можно применить сумматор построенный на ОУ

Номиналы резисторов R1 и R2 рассчитываются следующим образом, когда Uвх = -15 вольт, суммарное падение напряжение на резисторах R1 и R2 равно 20 вольт. В этом случае на прямом входе ОУ должно быть 0 вольт, отсюда становится понятно, что на R1 упадёт 5 вольт, а на R2 упадёт 15 вольт, из этого следует, что номиналы резисторов должны соотносится как R2/R1 = 3/1. С другой стороны, так как резисторы соединены последовательно и через них течёт один и тот же ток, можно записать формулу.

Идём дальше, так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь, напряжение на прямом и инверсном выводе должны быть равны. Когда Uвх = 0 на выходе ОУ будет 5 вольт(в данном случае ноль на входе - максимальное значение, значит на выходе должно быть максимальное значение равное 5 вольтам). В это же время на прямом входе ОУ будет 3.75 вольта, и эти же 3.75 будут на инверсном входе. Так как на выходе ОУ 5 вольт, а на инверсном входе 3.75, легко рассчитать соотношение R3 к R4(обычный делитель напряжения).

Предположив, что R1 и R4 равны 10К, получаем

R1 = 10К

R2 = 30К

R3 = 30К

R4 = 10К

Необходимо измерить напряжение, которое может изменяться от -10 до 10 вольт.

Сделать это очень просто, для этого надо создать смещение, чтобы при подаче -10 вольт на вход схемы на входе АЦП было 0 вольт, тогда при подаче 10 вольт на входе АЦП будет 5 вольт.

Реализовать это можно несколькими способами:

• на резисторах

Номиналы резисторов рассчитываются очень просто, когда мы подаём на левый вход R2 -10 вольт на его правом выводе должно быть 0 вольт, в таком случае ток через R3 не течёт, так как на его концах отсутствует разность потенциалов.

Ток, протекающий через R2, равен

Ток, протекающий через R1, равен

Так как резисторы R1 и R2 соединены последовательно, то и токи, протекающие через них равны.

Предположим R2 равен 10K, тогда R1 равен 5K.

Ток через R2 равен току через R3, получаем

получаем

R1 = 5К

R2 = 10К

R3 = 10К

Минус схемы на резисторах, это то что R2 ограничивает ток, поступающий на вход АЦП и то что любой шум в цепи питания будет попадать на вход АЦП. Хотелось бы обратить внимание на то, что у АЦП есть такой параметр, как входное сопротивление, которое, как правило, зависит от частоты сэмплирования , ниже изображена таблица в которой показано как зависит сопротивление входа от периода преобразования АЦП для STM32

сопротивление источника сигнала должно быть меньше этого значения, а последовательно включеный резистор R2 явно его не уменьшает. Говоря простыми словами за короткий промежуток времени АЦП должно получить достаточный заряд чтобы работать с ним, а резистор, включённый последовательно с входом, не даёт этого сделать.

Этот недостаток можно исправить, собрав схему, которая обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдать большой ток.

• сумматор на операционном усилителе

И снова нам поможет сумматор на операционном усилителе, как рассчитываются номиналы резисторов описано выше, но суть одна, надо взять два крайних значения, поступающего напряжения, при минимальном значении на выходе ОУ должен быть ноль, при максимальном должно быть 5 вольт(не забываем, что -VREF = 0 , а +VREF = 5 вольт). Если необходимо измерять положительное и отрицательное напряжение, в качестве смещения удобно использовать половину опорного напряжения, то есть 2.5 вольта.
Вот что получилось в микрокапе, картинку можно увеличить кликнув по ней.


Схема на ОУ обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдавать большой ток и может быть пересчитана для измерения других напряжений, например, ±2.5 вольта.
мы рассмотрим ещё несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП.

Сеть 220 В в большинстве случаев является основным источником питания для устройств, содержащих МК. Кроме того, она может служить информационным и управляющим каналом. Актуальными являются следующие задачи:

• измерение сетевой частоты и сетевого напряжения;
• проверка наличия сетевого питания при переходе на резервный источник;
• передача по сетевым проводам информационных сигналов;
• тактирование работы устройства от сетевой частоты;
• определение момента перехода переменного напряжения через нуль, чтобы коммутировать различные нагрузки с минимальным уровнем помех.

Стандартами стран СНГ допускается разброс сетевого напряжения в диапазоне 187...242 В и изменение частоты в пределах 49...51 Гц. Однако эти параметры варьируются в зависимости от страны и континента (Табл. 3.1), что надо учитывать при разработке продукции на экспорт.

Таблица 3.1. Стандарты электрических сетей в разных странах

Для адаптации напряжения сети 220 В к низковольтным входам МК используют резистивные делители (Рис. 3.1, а...з), оптическую (Рис. 3.2, а...ж) и трансформаторную (Рис. 3.3, а...з) развязку. В двух последних случаях гарантируется гальваническая изоляция первичных и вторичных цепей, что повышает безопасность.

Рис. 3.1. Схемы неизолированных датчиков сетевого напряжения 220 В {начало):

а) диод VD1 отсекает отрицательную полуволну напряжения, резистором R2 регулируется амплитуда сигнала на входе МК (частота 50 Гц), конденсатор С1 устраняет помехи;

б) на вход МК поступает сигнал удвоенной частоты 100 Гц от мостового выпрямителя;

в) провод питания МК +5 В гальванически связан с сетыо 220 В. Резистор R1 ограничивает ток через внутренние защитные диоды МК (0.1...0.3 мА). Частота сигнала 50 Гц;

г) транзисторы VTI, VT2 образуют двухсторонний ограничитель напряжения с нагрузкой в виде резистора R2. Транзистор VT3 — усилитель-инвертор. Конденсатор С1 защищает МК от коммутационных помех, которые могут возникать в сети 220 В при работе тиристоров;

д) МК проверяет исправность симистора VS1 и отсутствие обрыва в нагрузке Конденсатор С1 имеет большую ёмкость, поэтому на входе МК напряжение усредняется. Резистором R2 устанавливается порог напряжения, ниже которого считается, что произошла авария;

е) для устройств, которые критичны к полярности включения вилки в сетевую розетку, «нуль» (N) и «фазу» (L) определяют стандартным прибором электрика «светящаяся отвёртка»;

ж) двухстороннее ограничение сетевого напряжения внутренними диодами МК. Конденсатор С1 высоковольтный (250 В переменного напряжения) на случай обрыва резистора R3.

Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (начало):

а) фототранзисторы оптопары VU1 закрываются на 0.1...0.2 мс в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Точная длительность подбирается резистором R2, частота 100 Гц;

б) формирователь импульсов с частотой 50 Гц. Двойная гальваническая развязка: на оптопа-ре VU1 и на трансформаторе 77. Коллекторной нагрузкой оптопары служит внутренний резистор МК. Диод Шоттки VD1 защищает излучатель оптопары VU1 от обратного напряжения;

в) аналогично Рис. 3.2, а, но на двух отдельных оптопарах и без транзисторного ключа;

г) МК проверяет отсутствие обрыва в нагрузке по наличию импульсных сигналов с частотой 50 Гц. Диоды VD1... VD6 запараллелены (встречно) для максимальной симметрии схемы;

Рис. 3.2. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с оптической изоляцией (окончание)".

д) двухкаскадный формирователь сетевых импульсов на транзисторах VTI, VT2. Частота сигнала на входе МК 100 Гц. Питание первичной стороны формирователя осуществляется от параметрического стабилизатора, собранного на элементах R3, VD2, VD3, С1. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 400 В;

е) индикатор наличия сетевого напряжения с гальванической развязкой на оптопаре VU1. Элементы С1, R2 служат соответственно реактивным и активным балластом для стабилитрона VD5. При отключении сети 220 В конденсатор С1 быстро разряжается через резистор R1 (доли секунды). Это повышает безопасность, иначе конденсатор может разрядиться через тело человека, если случайно прикоснуться к обесточенной сетевой вилке руками;

ж) светодиод HL1 индицирует наличие сетевого питания и защищает излучатель оптопа-ры VU1 от обратного напряжения. Резистор RI при положительной полуволне задаёт ток через оптопару, а при отрицательной — через светодиод HL1. Частота импульсов на входе МК 50 Гц.

Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой {начало):

а) транзисторный формирователь импульсов с частотой 100 Гц. Конденсатор С2 подавляет импульсные помехи. Резистор RI подбирается так, чтобы транзистор VT1 был гарантированно открыт при самом низком сетевом напряжении. Оно, в свою очередь, определяется коэффициентом передачи трансформатора 77. Напряжение с диодного моста VD1...VD4 поступает также в систему основного питания, которая формирует напряжение +5 В для МК;

б) детектор перехода сетевого напряжения через нуль. Компаратор DA1 увеличивает крутизну фронтов сигнала и повышает помехоустойчивость. Выход компаратора (открытый коллектор) нагружен на «pull-up» резистор R3. Диоды VD5, VD6 ограничивают напряжение на входах компаратора на уровне 0.6...0.7 В при положительной полуволне сетевого напряжения, а диоды, входящие в мост VDI...VD4, — при отрицательной полуволне;

в) на резисторе R2 выделяется пульсирующее напряжение частотой 100 Гц. Конденсатор С1 подавляет ВЧ-помехи. Элементы VD3, R1 защищают МК от всплесков сетевого напряжения. Диоды VD1, VD2должны соединяться с адаптером А1 отдельными проводами;

г) с диодного моста VDI... VD4 пульсирующее напряжения частотой 100 Гц поступает на входы аналогового компаратора МК. Стабилитроны VD5, VD6 должны иметь пороговое напряжение ниже, чем напряжение питания М К (в данном случае это+5 В). Диоды VD7, VD8защищают М К от большого разбаланса напряжений на входах компаратора;

Рис. 3.3. Схемы датчиков сетевого напряжения 220 В с трансформаторной развязкой (окончание):

д) формирователь прямоугольных импульсов ТТЛ-уровня из переменного сетевого напряжения 9... 12 В. Задействуется свободный канал микросхемы DA1 (драйвер интерфейса RS-232), имеющий на входе триггер Шмитта. Цепочка RI, С2служит фильтром ВЧ-помех;

е) резисторы R2, R3 образуют делитель с уровнем +2.5 В, чтобы АЦП МК работал в линейном режиме. Частота импульсов, снимаемых с диодного ограничителя VD3, VD4, — 50 Гц;

ж) аналогично Рис.3.3, г, но с двумя парами ограничительных диодов Шоттки VD2...VD5. Это, очевидно, перестраховка на случай выхода из строя диодов, находящихся в мосту VDI;

з) амплитуда входного напряжения МК с частотой пульсаций 100 Гц регулируется резистором R2. Конденсатор большой ёмкости С1 при отключении сети поддерживает некоторое время напряжение питания +5 В, чтобы МК успел корректно закончить программные процедуры.

Мы переходим к завершающей части обзорного цикла датчиков, в которой рассмотрим датчики постоянного и переменного тока и напряжения. По всем остальным датчикам, которые не попали в основную серию мы сделаем дополнительные обзоры когда они вдруг понадобятся в будущих статьях.
Данная статья открывает новый цикл материалов про измерение параметров качества электроэнергии, куда войдут вопросы подключения датчиков тока и напряжения к микроконтроллеру, рассмотрение алгоритмов работы анализаторов качества электроэнергии, смысл тех или иных показателей качества электроэнергии и что они обозначают. Кроме того, мы затронем волнующую многих тему точности оцифровки и обработки данных, упомянутую в комментариях к первой статье.

Датчики тока

Измерительный шунт

Самый простой и самый точный способ измерения тока. Как известно, при протекании тока через активное сопротивление, на нем происходит падение напряжения, пропорциональное измеряемому току. Отлично, берем резистор и помещаем его в разрыв измеряемой цепи:


Рисунок 10: Датчик тока токовый шунт
Падение напряжения на шунте пропорционально пропускаемому току:
(10)
Соответственно в зависимости от требуемого напряжения на выходе датчика подбираем нужное сопротивление шунта. Но! Падение напряжения на шунте приведет к потерям и теплу, соответственно при больших токах мы вынуждены довольствоваться малыми значениями входного напряжения, дабы ограничить потери. Вот эти выпускаемые промышленностью ребята обеспечивают стандартное выходное напряжение в 75мВ:

Рисунок 11: Токовый шунт типа ШСМ
На напряжение в 75мВ откалибровано большинство измерительных головок для шунтов. Обратите внимание на вторую пару винтов - они предназначены специально для подключения к измерительному прибору для снижения потерь.
Для измерения тока с помощью таких шунтов требуется использовать операционные усилители. При этом, средний коэффициент усиления составляет 20-40, что под силу широко-распространенным операционным усилителям. В принципе, такой можно сварганить на базе одного биполярного транзистора.
Получим следующую схему:


Рисунок 12: Использование ОУ в качестве усилителя
Следует учитывать, что при измерении переменного тока, выходной сигнал будет биполярный и операционный усилитель требуется запитать от двухполярного источника питания.
Глянем на всякий случай, как работает наша схема:


Рисунок 13: Моделирование усилителя датчика тока
На вход подаем 75мВ, умножаем на 20, на выходе имеем сигнал с амплитудой 1,5В для тока в 10А. В следующем материале мы разберемся чем плох биполярный сигнал.
Достоинства :

• высокая точность;
• широкий диапазон напряжений и частот;

Недостатки:

• отсутствует гальваническая развязка;
• низкий КПД.

Измерительный трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная замыкается на измерительные приборы или устройства защитной автоматики.
Трансформаторы тока используются для измерения токов в сильноточных цепях, зачастую я высоким потенциалом. Например, нам захотелось измерить ток в сети 10кВ. Либо, мы хотим получить простой и относительно дешевый способ гальванической развязки измеряемой цепи тока нашего устройства на 220В. Основная проблема трансформаторов тока заключается в том, что они умеют измерять только переменное напряжение.
Трансформатор тока всегда нагружается. Если вторичная обмотка трансформатора тока окажется разомкнутой, то на ней возникнет потенциал в пару тысяч киловольт, который покалечит персонал и выведет из строя прибор, пробив его изоляцию.
Трансформаторы бывают со встроенной первичной обмоткой. Например такие:

Рисунок 14: Трансформатор тока серии CS2106L от Coilcraft
Либо вот такие слоники, имеющие подобие первичной обмотки в виде огромной шины, либо вовсе окно для пропускания через него провода


Рисунок 15: Промышленный трансформатор тока на много ампер
Основной недостаток трансформатора тока - это работа только на определенной частоте. Шаг влево-шаг вправо - расстрел. Виной всему металлический сердечник.
А вот если мы его удалим, то получим воздушный трансформатор, или, т. н. Катушку Роговского:

Рисунок 16: Схема подключения катушки роговского
В отличие от остальных датчиков, требующих взаимодействия с измеряемой цепью, катушку роговского можно установить поверх проводов измеряемой цепи как поясок.
Некоторые измерительные приборы комплектуются такими датчиками:


Рисунок 17: Датчик катушка роговского
Диапазон измеряемых токов - от десятков до тысяч ампер, но они страдают от невысокой точности.
Достоинства:

• гальваническая развязка;
• работа с большими токами в тысячи Ампер;

Недостатки:

• измеряет только переменный ток в определенном диапазоне частот(кроме катушки Роговского);
• изменяет фазу сигнала и требует компенсации

Датчики тока на эффекте Холла

Датчики этого типа используют эффект возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле.

Рисунок 18: Эффект Холла
При создании датчика мы берем магнитопровод, пропускаем через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещаем датчик Холла, получая датчик тока открытого типа:


Рисунок 19: Датчик тока на эффекте Холла открытого типа
Достоинством такого датчика является простота. Недостатком - наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.
Добавим на сердечник обмотку и пустим по ней ток, пропорциональный измеряемому току:


Рисунок 20: Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа
С нулевым подмагничиванием сердечника мы повышаем линейность датчика и его класс точности. Однако по своей конструкции такой датчик приближается к трансформаторам тока, соответственно его стоимость повышается в разы.
Как и трансформаторы, бывают разновидности датчиков, позволяющие пропустить через себя силовой провод:


Рисунок 22: Датчик тока на эффекте Холла
Существуют датчики с разделяемым сердечником - однако их стоимость просто зашкаливает.
Датчики с интегрированной силовой цепью на базе эффекта Холла с гальванической развязкой 2,1кВ и 3кВ выпускаются компанией Allegro. Ввиду своих малых размеров они не обеспечивают высокой точности, но зато компактны и просты в использовании.


Рисунок 23: датчик тока Allegro ACS754

• Датчик ACS712 – измерение постоянного и переменного тока до 30А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS713 – оптимизирован для измерения постоянного тока до 30А. Имеет вдвое большую чувствительность чем его универсальный собрат.
• Датчик ACS754 – измерение постоянного и переменного тока до 200А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS755 – оптимизирован для измерения постоянного тока.
• Датчик ACS756 – датчик для измерения постоянного и переменного тока до 100А с напряжением питания 3-5В.

Рисунок 24: Зависимость выходного напряжения датчика от тока
Достоинства :

• широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50-100кГц и выше;
• измеряет постоянный и переменный ток.
• гальваническая развязка

Недостатки :

• Дорого

Дополнительные ссылки:

Измерительные трансформаторы постоянного тока analogiu.ru/6/6-2-2.html
Катушки Роговского www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046
Эффект Холла в википедии: ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
Датчики Холла robocraft.ru/blog/electronics/594.html
Данилов А. Современные промышленные датчики тока www.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf
Проектирование схем на базе аналогового усилителя HCPL-7851 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Заключение

Я поставил перед собой задачу сделать обзорный материал по датчикам, наиболее часто используемым сообществом при разработке различных устройств. Большинство датчиков не вошли в цикл лишь по той причине, что в ближайшем будущем для моих материалов они не понадобятся, но некоторые из них в планах. Обязательно сделаю отдельный материал с датчиками ускорения, угловых скоростей, компасом и примерами, так что следите за новыми статьями!