Измерение тока посредством токового шунта обладает существенным недостатком: между шунтом и средством регистрации падения напряжения (вольтметр, аналого-цифровой преобразователь, компаратор и т.д.) отсутствует гальваническая развязка. Для её обеспечения можно применить изолирующие усилители, или воспользоваться другими преобразователями, например, трансформатором тока или датчиком, принцип работы которого основан на эффекте Холла. В данной статье рассмотрим работу с одним из самых доступных измерителей тока (постоянного DC и переменного AC) на эффекте Холла: датчик тока ACS712.
Параметры и характеристики
ДТ серии ACS712 представляет собой микросхему в корпусе SOIC-8, разработанную компанией Allegro MicroSystems. Выпускается в трёх модификациях, которые отличаются диапазонами измерений.
Регистрируемый ток протекает через шину (сопротивление порядка 1,2 мОм), расположенную внутри чипа. Создаваемое магнитное поле пронизывает специальную схему, посредством которой осуществляется регистрация формируемого напряжения Холла.
За счёт магнитного поля (это и обеспечивает гальваническую развязку) осуществляется связь между силовой цепью и сигнальной выходной схемой.
В документации от производителя (datasheet) представлена стандартная схема включения микросхемы:
Устройство требует однополярное питание +5 В, при этом потребляет в среднем 11 мА. Рабочий диапазон температур: от -40 ºC до +85 ºC.
Для фильтрации питания подойдут керамические конденсаторы в планарном (SMD) корпусе. Стоит отметить, что фильтрующий конденсатор влияет на полосу пропускания преобразователя (по даташиту — рабочая полоса пропускания составляет 50 кГц). То есть данный конденсатор влияет на скорость нарастания выходного сигнала (скорость отклика на изменение регистрируемой величины). Поэтому производитель рекомендует устанавливать конденсатор с номинальной ёмкостью 1 нФ.
Для микросхемы рекомендуется питание от +4,5 В до +5,5 В. Стабильность этого параметра непосредственно влияет на точность измерений, поэтому следует позаботиться о качественном источнике.
Перейдём к практике. Для экспериментов воспользуемся сенсором, рассчитанным на 5 А (модель ACS712 ELCTR-05B-T). Для удобства работы применим популярный модуль, который включает в себя входной разъём с винтовыми зажимами, штыри для подключения питания и снятия Uвых, а также саму микросхему (см. рис. 3). Схема включения чипа на данном модуле повторяет стандартную схему из даташита (см. рис. 2), но при этом дополнена светодиодом индикации питания (на модуле обозначен как D1).
В состоянии покоя (0 ампер) на выходе сенсора +2,5 В (значение может немного отличаться, в зависимости от того, насколько уровень питания близок к +5,0 В). Это уровень ноля.
На рисунке 4 представлен фрагмент из документации к рассматриваемому сенсору: график зависимости Uвых от величины регистрируемого тока. Также на графике есть информация о том, что преобразователь работает в широком диапазоне температур: от -40 °C до +150 °C (хотя рекомендованный предел равен +85 °C), и это незначительно сказывается на дрейфе Uвых.
Направление течения DC определяет вектор изменения выходного напряжения:
— при положительном направлении (входит через пины IP+, а выходит через IP-) Uвых будет расти от +2,5 В до +4,5 В;
— при отрицательном направлении (входит через пины IP-, а выходит через IP+) Uвых будет падать от +2,5 В до 0,5 В.
Что касается работы с AC: на выходе преобразователя будет синусоидальный сигнал, а его нулевой уровень будет соответствовать +2,5 В.
Измерение постоянного тока
Для проведения эксперимента соберём схему, представленную на рисунке 5. На ней представлена полная схема включения модуля ДТ, которая выделена пунктиром. Амперметр PA1, представленный в виде мультиметра, будет для нас образцовым каналом. Напряжение с лабораторного блока питания E1 будет подаваться на мощную нагрузку R1 (собрана из нескольких мощных резисторов типа ПЭВ с суммарным сопротивлением 6 Ом и мощностью рассеивания 150 Вт).
Входные контакты сенсора подключены последовательно с амперметром и нагрузкой, как и положено, в разрыв силовой цепи.
Сам модуль ДТ запитывается от блока питания E2 (+5 В). Регистрировать выходной сигнал будет мультиметр PV1, а для контроля питания применим мультиметр PV2.
Произведём калибровку: будем пропускать ток известной величины и фиксировать значение Uвых. От 0 до 4 ампер с шагом 1 А, причём в прямом и обратном направлениях. Все результаты сведём в таблицу 3.
Как правило, после калибровки строят график на основе полученных данных, чтобы вывести передаточную характеристику в виде линейного уравнения. Это позволит быстро и удобно переводить значение Uвых в искомое значение тока. Для построения графика и определения передаточной характеристики можно воспользоваться приложением Excel:
В результате имеем формулу пересчёта, имеющую вид линейного уравнения:
Как видно, построенный график повторяет характеристику, представленную в документации к микросхеме от производителя (см. рис. 4).
Обратим внимание на множитель в уравнении: он равен 0,1856. Как мы помним, чувствительность датчика, рассчитанного на 5 А, составляет 185 мВ/А. Полученный нами множитель подтверждает это.
Далее посмотрим на слагаемое уравнения: оно равно 2,4862. Это смещение выходного напряжения, которое соответствует состоянию покоя (0 ампер). А как было сказано ранее, в таком состоянии на выходе преобразователя в идеале ожидается примерно +2,5 В. Такая разница обусловлена отличием фактического уровня питания от эталонного — 4,86 В вместо 5,0 В.
Но для применения ДТ на практике лучше представить калибровочную характеристику так, чтобы в уравнение преобразования можно подставлять измеренное Uвых. Это позволит вычислить искомую величину:
В соответствии с построенным графиком, мы имеем уравнение для преобразования Uвых в искомый ток:
Эту формулу можно применять для пересчёта, если сенсор подключить, к примеру, к аналого-цифровому преобразователю, который передаёт данные на микроконтроллер.
Предположим, мы зафиксировали на выходе датчика 2,8616 В:
Подставим это значение в указанную выше формулу:
Получили 2,023 А. На фото выше видно, что на амперметре (красный мультиметр слева) отображается 2,019 А. Учитывая погрешность приборов, можно сказать, что полученная нами формула достаточно точная.
Как было сказано выше, уравнение калибровочной характеристики удобно применять при подключении ДТ к микроконтроллеру. К примеру, на отладочной плате Arduino Uno установлен микроконтроллер ATmega328PU, на борту которого есть встроенный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который способен измерять напряжение от 0 до уровня питания (если не подключать специально внешний источник опорного напряжения).
Измерение переменного тока
Теперь рассмотрим работу ДТ для регистрации AC.
Для этого соберём схему, представленную на рисунке 9. В отличие от эксперимента c DC, в качестве источника переменного напряжения E1 применим лабораторный автотрансформатор.
Прибор PV1 в режиме измерения AC подключён к выходу ДТ. Параллельно подключён осциллограф P1, чтобы регистрировать форму сигнала.
На фото выше макет представлен в состоянии покоя (0 ампер). Мультиметр справа, который фиксирует напряжение на выходе модуля, показывает 2,416 В. Это значение получено в режиме DC. Как было сказано ранее, нулевой уровень синусоиды соответствует примерно +2,5 В.
Произведём калибровку по аналогии с экспериментом по DC. Будем подавать от 0 до 6 А (проверим реакцию сенсора на превышение заявленного диапазона) с шагом 1 А. Все результаты экспериментов сведём в таблицу 4.
Ниже представлены фотографии макета с показаниями приборов (0, 3, 5 и 6 ампер), а также соответствующие осциллограммы. На правом черном мультиметре отображаются показания режиме AC.
0 А
3 А
5 А
6 А
По собранным данным построим калибровочную характеристику:
В соответствии с построенной характеристикой, мы имеем уравнение для преобразования Uвых:
Проверим правильность калибровки. Предположим, 0,721 В:
Подставим это значение в выше указанную формулу:
Имеем 3,987 А. На амперметре (красный прибор слева) отображается значение 3,984 А. Таким образом, качество калибровки вполне удовлетворительное.
Выводы
Преобразователи серии ACS712, принцип работы которых основан на эффекте Холла, являются неплохим вариантом для измерения постоянного и переменного токов в диапазоне от 0 до 30 А с точностью ±1,5 %. При этом обеспечивается гальваническая развязка между силовой цепью и сигнальным выходом.
Микросхема сенсора обладает однополярным питанием (+5 В), а уровень ноля выходного сигнала соответствует +2,5 В. Благодаря этому данный датчик удобно использовать с внешними или встроенными в микроконтроллер АЦП.
Чтобы измерять AC, используя Arduino, можно применить тот же подход, что и к модулю датчика напряжения ZMPT101B.