Hall-effect stroomdetectie:open-lus- en gesloten-lusconfiguraties

Leer de basisprincipes van Hall-effectstroomsensoren in dit technische artikel.

Stroomsensoren worden veel gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen. Een veelgebruikte techniek is resistieve stroomdetectie waarbij de spanningsval over een shuntweerstand wordt gemeten om de onbekende stroom te bepalen. Op shuntweerstanden gebaseerde oplossingen bieden geen galvanische isolatie en zijn niet energiezuinig, vooral niet bij het meten van grote stromen.

Een andere veelgebruikte techniek is gebaseerd op het Hall-effect. Een Hall-effect stroomsensor biedt een hoger veiligheidsniveau door de galvanische scheiding tussen de sensor en de te meten stroom. Het vermijdt ook de aanzienlijke vermogensdissipatie van de shuntweerstand die wordt gebruikt in resistieve stroomdetectiemethoden.

In dit artikel bekijken we de basisprincipes van Hall-effectstroomsensoren.

Open-loop stroomdetectie

De structuur van een op Hall-effect gebaseerde open-loop-stroomsensor wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Afbeelding met dank aan Dewesoft

De te meten stroom loopt door een geleider die zich in een magnetische kern bevindt. Op deze manier creëert de stroom een ​​magnetisch veld in de kern. Dit veld wordt gemeten door een Hall-effectsensor die in de kernluchtspleet is geplaatst.

De uitgang van de Hall-sensor is een spanning die evenredig is met het magnetische kernveld, die ook evenredig is met de ingangsstroom. Het signaal dat door het Hall-apparaat wordt geproduceerd, wordt meestal verwerkt door een signaalconditioneringscircuit. De signaalconditioneringsschakeling kan een eenvoudige versterkingstrap zijn of een meer gecompliceerde schakeling die is ontworpen om de driftfout van het Hall-apparaat, enz. te elimineren.

Waarom hebben we een magnetische kern nodig?

Neem aan dat er geen magnetische kern is. Het magnetische veld op een afstand van r van een oneindig lange, rechte geleider die een elektrische stroom I voert, wordt gegeven door:

\[B =\frac{µ_0I}{2\pi r} ~ , ~ µ_0 =4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m }\]

waarbij µ₀ is de doorlaatbaarheid van vrije ruimte. Voor I=1 A, r=1 cm krijgen we:

\[B =2 \times 10^{-5}~Tesla =0.2~Gauss\]

Om een ​​idee te krijgen hoe klein dit magnetische veld is, moet u er rekening mee houden dat het aardmagnetisch veld ongeveer 0,5 Gauss is. Daarom is het een grote uitdaging om een ​​stroom van 1 A te meten door het magnetische veld dat het in de vrije ruimte produceert te voelen. Om dit probleem te bestrijden, kunnen we een magnetische kern gebruiken om het magnetische veld dat door de stroom wordt geproduceerd te beperken en te geleiden. De kern biedt een pad van hoge permeabiliteit voor het magnetische veld en werkt als een veldconcentrator. Het magnetische veld in de kern kan honderden of duizenden keren groter zijn dan dat een bepaalde stroom kan produceren in de vrije ruimte.

De luchtspleet

Zoals weergegeven in figuur 1 is de magnetische kern ontworpen met een luchtspleet waarin de Hall-sensor wordt geplaatst. De luchtspleet kan leiden tot fringing flux-fenomeen waarbij sommige fluxlijnen afwijken van hun rechte pad en daarom niet door de sensor gaan zoals verwacht. Dit randeffect wordt weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Afbeelding met dank aan R. Jez

Vanwege het randeffect kan de magnetische fluxdichtheid die door het Hall-apparaat wordt gedetecteerd, kleiner zijn dan de magnetische fluxdichtheid in de kern. Met andere woorden, de luchtspleet kan de efficiëntie van de kern verminderen bij het omzetten van de primaire stroom in een sterk magnetisch veld. Als de spleetlengte echter klein is in vergelijking met het dwarsdoorsnede-oppervlak van de spleet, kan het effect van het franjeeffect relatief klein zijn.

We hebben de luchtspleet nodig om het magnetische veld in de kern te kunnen meten. Bovendien stelt de luchtspleet ons in staat om de algehele terughoudendheid van de kern te wijzigen. Merk op dat een hoge stroom een ​​groot magnetisch veld in de kern kan creëren en deze kan verzadigen. Dit kan de maximale stroom die kan worden gemeten, beperken. Door de lengte van de luchtspleet aan te passen, kunnen we het kernverzadigingsniveau wijzigen. Figuur 3 laat zien hoe de waargenomen magnetische fluxdichtheid verandert met de lengte van de luchtspleet voor een gegeven kern.

Figuur 3. Afbeelding met dank aan Allegro

Met kleinere luchtspleten kunnen we een grotere magnetische versterking bereiken (gauss-per-ampère versterking). Een kleinere luchtspleet kan echter de kern verzadigen bij een relatief kleinere stroom. Vandaar dat de spleetlengte rechtstreeks van invloed is op de maximale stroom die kan worden gemeten. Naast de spleetlengte zijn er andere factoren, zoals het kernmateriaal, de kernafmetingen en de kerngeometrie, die de efficiëntie van een magnetische kern bepalen. Voor meer informatie over kernen die geschikt zijn voor toepassingen met hoge stroomsterkte (>200 A), raadpleegt u deze toepassingsnota van Allegro.

Beperkingen van open-lus stroomdetectie

Met een open-lusconfiguratie kunnen niet-ideale effecten, zoals lineariteit en versterkingsfouten, de meetnauwkeurigheid beïnvloeden. Als bijvoorbeeld de gevoeligheid van de sensor verandert met de temperatuur, verschijnt er een temperatuurafhankelijke fout op de uitgang. Bovendien is de kern bij open-lusstroomdetectie onderhevig aan verzadiging. Bovendien kunnen zowel de offset van de Hall-sensor als de core-coërciviteit bijdragen aan fouten.

Closed-loop stroomdetectie

De gesloten-lus Hall-effectstroomdetectietechniek wordt geïllustreerd in figuur 4.

Figuur 4. Afbeelding met dank aan Cheemi-Tech

Zoals de naam al doet vermoeden, is deze techniek gebaseerd op concepten met negatieve feedback. In dit geval is er een secundaire wikkeling die wordt aangedreven door de uitgang van het feedbackpad. Het feedbackpad detecteert het magnetische veld in de kern en past de stroom door de secundaire wikkeling aan zodat het totale magnetische veld van de kern gelijk wordt aan nul. Laten we eens kijken hoe dit circuit werkt.

De te meten stroom vloeit door de primaire geleider en creëert een magnetisch veld in de kern. Dit veld wordt gemeten door een Hall-effectsensor die in de kernluchtspleet is geplaatst. De uitgang van de Hall-sensor, een spanning die evenredig is met het magnetische kernveld, wordt versterkt en omgezet in een stroomsignaal dat door de secundaire wikkeling gaat. Het systeem is zo ontworpen dat de stroom die door de secundaire wikkeling gaat, een magnetisch veld produceert dat tegengesteld is aan het magnetische veld van de primaire stroom. Met het totale magnetische veld gelijk aan nul, zouden we moeten hebben:

\[N_pI_p =N_sI_s\]

waar N_p en N_s zijn respectievelijk het aantal windingen van de primaire en secundaire wikkelingen; en ik_p en ik_s zijn de primaire en secundaire stromen. In figuur 4 hebben we N_p =1 en \[V_{out} =R_m \times I_s\]. Daarom verkrijgen we:

\[V_{out} =R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

Dit geeft ons een spanning die evenredig is met de primaire stroom. Merk op dat de evenredigheidsfactor, \[R_m \times \frac{1}{N_s}\], een functie is van het aantal windingen en de waarde van de shuntweerstand. Het aantal windingen is een constante waarde en weerstanden zijn ook erg lineair.

Open-lus versus gesloten-lus stroomdetectie

De negatieve feedback die wordt gebruikt in closed-loop-architectuur stelt ons in staat om de niet-ideale effecten zoals lineariteit en versterkingsfouten te verminderen. Dat is de reden waarom, in tegenstelling tot een open-loop-configuratie, een closed-loop-architectuur niet wordt beïnvloed door drift in de sensorgevoeligheid. Daarom biedt een gesloten-lusconfiguratie een hogere nauwkeurigheid. Een closed-loop stroomsensor is robuuster voor kernverzadiging omdat de magnetische fluxdichtheid in de kern erg klein is.

Bij closed-loop detectie wordt de secundaire spoel actief aangedreven door een krachtige versterker. De extra componenten die in een closed-loop-architectuur worden gebruikt, leiden tot een groter PCB-oppervlak, een hoger stroomverbruik en een hogere prijs.

Stabiliteitsprobleem is een ander nadeel van een stroomsensor met gesloten lus. Bij een gesloten-lusconfiguratie moeten we de systeemoverdrachtsfunctie afleiden en ervoor zorgen dat het systeem stabiel is. Een onstabiel systeem kan doorschieten of rinkelen vertonen als reactie op een snelle verandering in de ingangsstroom. Om een ​​gesloten systeem stabiel te maken, moeten we meestal de bandbreedte ervan beperken. Het verminderen van de systeembandbreedte kan echter de reactietijd verlengen en het systeem niet meer in staat stellen te reageren op snelle veranderingen in de invoer. Van een open-loop-configuratie wordt gewoonlijk verwacht dat deze een snellere responstijd heeft.

Merk op dat de offset van de Hall-sensor kan bijdragen aan fouten in zowel closed-loop als open-loop-configuraties. De offset van een hoogwaardig indiumantimonide (InSb) Hall-element is typisch ±7 mV.

Moderne geïntegreerde oplossingen

Het is de moeite waard om te vermelden dat moderne op Hall-effect gebaseerde stroomsensoren innovatieve technieken gebruiken om enkele van de bovenstaande beperkingen aan te pakken. De DRV411 van TI is bijvoorbeeld een signaalconditionerings-IC die is ontworpen voor closed-loop stroomdetectietoepassingen die de huidige spintechniek gebruikt om de offset- en driftfouten van het Hall-element te elimineren. Deze techniek wordt geïllustreerd in figuur 5.

Figuur 5. Huidige spintechniek gebruikt in de DRV411. Afbeelding met dank aan Texas Instruments

Een ander voorbeeld is de ACS720 [PDF downloadlink] van Allegro die is ontworpen voor open-loop stroomdetectietoepassingen. De ACS720 gebruikt on-chip temperatuurcompensatie-algoritmen om de nauwkeurigheid over temperatuur te optimaliseren.

Figuur 6. Het blokschema van de ACS720. Afbeelding met dank aan Allegro Microsystems [PDF downloadlink]

Ga naar deze pagina om een ​​volledige lijst van mijn artikelen te zien.