Wykrywanie i kontrola przepływu prądu jest podstawowym zadaniem w przypadku wielu urządzeń, takich jak zabezpieczenia nadprądowe, ładowarki baterii, zasilacze impulsowe, watomierze czy programowalne źródła prądowe. Jedna z najprostszych metod pomiaru prądu to umieszczenie rezystora o niewielkim oporze (tzw. bocznika) pomiędzy obciążeniem a masą i pomiar spadku napięcia, które jest proporcjonalne do płynącego prądu. O ile technika ta jest prosta i łatwa w wykonaniu, nie zawsze cechuje się odpowiednią precyzją, ponieważ wartość oporu bocznika zmienia się z temperaturą – niestałość wynika z generowania ciepła Joule’a. Ponadto, sposób ten nie zapewnia izolacji galwanicznej pomiędzy obciążeniem a układem mierzącym prąd, co byłoby wskazane w przypadku wysokonapięciowych obwodów. Dlatego poniższa dyskusja będzie dotyczyła czujnika Allegro ACS712, który jest niedrogim i dokładnym czujnikiem opierającym się o efekt Halla i pozwalającym mierzyć prądy stałe i zmienne.
Układ ACS712 wykorzystuje efekt odkryty w 1879 r. przez dr. Edwina Halla. Zjawisko ilustruje poniższy rysunek – cienki element półprzewodnikowy przewodzi prąd I i jest umieszczony w polu magnetycznym B prostopadłym do kierunku przewodzenia prądu. Ze względu na obecność siły Lorentza, rozkład prądu w półprzewodniku przestaje być jednolity i na jego krańcach pojawia się różnica potencjałów, prostopadła zarówno do kierunku przepływu prądu jak i pola magnetycznego. Ta różnica potencjałów nazywana jest napięciem Halla i wynosi zwykle kilka mikrowoltów. Napięcie Halla jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu i pola magnetycznego, więc jeśli jeden z tych parametrów jest znany (I lub B), napięcie Halla może być wykorzystane do wyliczenia drugiego z nich.
Czujnik ACS712 dostarczany jest w niewielkiej, montowanej powierzchniowo obudowie SOIC8. Składa się z dokładnego liniowego czujnika Halla o niskim offsecie oraz miedzianego przewodnika umieszczonego tuż nad płaszczyzną półprzewodnika. Kiedy prąd przepływa przez miedziany przewodnik, generowane jest pole magnetyczne wykrywane przez czujnik Halla. Powstające pole magnetyczne jest proporcjonalne do płynącego prądu, co prowadzi do liniowej zależności między natężeniem przepływającego prądu a wartością napięcia Halla. Wbudowany w układ kondycjoner sygnału i filtr stabilizują i podwyższają napięcie Halla do poziomu mierzalnego przez przetwornik A/D mikrokontrolera. Układ wyprowadzeń i typowa aplikacja układu pokazane są poniżej. Rezystancja wewnętrznego, miedzianego przewodnika wynosi 1,2 mΩ, więc straty mocy są niskie. Izolacja wejścia pomiarowego i wyjścia układu zwiększają bezpieczeństwo pomiarów w układach wysokonapięciowych. Ponadto układ posiada wyprowadzenie (pin 6, Filter) do przyłączania zewnętrznego kondensatora, tworzącego prosty filtr RC z wbudowanym rezystorem – poprawia to stosunek sygnału wyjściowego do szumu.
Układy są produkowane w 3 wersjach, do pomiarów prądów ±5, ±20 bądź ±30 A. W omawianym przypadku zastosowano ACS712-05B do pomiaru prądów ±5A i o czułości 185 mV/A. Przy zerowym prądzie napięcie na wyjściu jest równe połowie napięcia zasilania (Vcc/2). Należy zaznaczyć, że wartość sygnału wyjściowego układu jest proporcjonalna więc zatem i do płynącego prądu i do napięcia zasilającego czujnik. Dlatego jeśli napięcie zasilające czujnik i referencyjne dla ADC pochodzi z tego samego źródła, zapewni to kompensację błędów konwersji A/D wynikających z fluktuacji napięcia zasilania.
Poniższy wykres przedstawia odpowiedź czujnika ACS712-05B zasilanego napięciem 5,0V. Dryft wyjścia w funkcji temperatury jest minimalny, poprzez zaimplementowanie we wnętrzu układu wzmacniacza z przetwarzaniem (chopper stabilization).
Eksperymentalny układ do pomiaru prądu został złożony wedle poniższego schematu. Wyjście czujnika prądu połączone jest z kanałem AN0 mikrokontrolera PIC16F1847. Dane wyświetlane są na wyświetlaczu LCD 16x2. Mikrokontroler wykorzystuje napięcie zasilania +5V jako napięcie odniesienia dla przetwornika A/D.
Program dla mikrokontrolera został napisany w języku C.
Kod: C / C++
Przy zerowym mierzonym prądzie napięcie na wyjściu układu powinno wynosić dokładnie Vcc/2. Dryft napięcia wyjściowego o 4,9 mV skutkuje zmianą o 1 LSB z konwersji A/D, co jest równe błędowi pomiaru 26 mA. Dlatego też podczas pomiaru napięcia wyjściowego czujnika wskazane jest zebranie i uśrednienie kilku jego wartości. W przypadku pomiaru prądów zmiennych ważna staje się również szybkość próbkowania napięcia przez mikrokontroler. Więcej szczegółów dotyczących działania programu i dokładności pomiarów można znaleźć na stronach projektu.
Źródło - cz. 1
Źródło - cz. 2
Fajne? Ranking DIY
