Датчики тока

Датчики тока позволяют измерить ток в цепи, не разрывая ее и не внося заметного сопротивления. На них строят защиту от перегрузки, контроль заряда аккумуляторов, управление двигателями и учет потребления. В разделе около 1900 позиций от Allegro MicroSystems, Texas Instruments, LEM, Melexis, ACEINNA и других производителей, с фильтрами по типу тока, диапазону, чувствительности и корпусу.

Основные технологии

Шунт это самый дешевый способ: ток течет через резистор малого номинала, и падение напряжения на нем усиливается. Минус в том, что измерительная часть остается электрически связанной с силовой, поэтому для сетевых цепей нужна развязка. Датчики на эффекте Холла и трансформаторы тока изначально изолированы: они реагируют на магнитное поле вокруг проводника, а сама цепь не разрывается.

Ключевые параметры

1. Тип измеряемого тока: постоянный, переменный или оба. Трансформатор тока постоянный ток не увидит в принципе.
2. Диапазон: датчик должен покрывать не только рабочий ток, но и пусковые броски, которые у двигателей бывают в несколько раз выше номинала.
3. Чувствительность в милливольтах на ампер. У популярных микросхем на 5 А она составляет около 185 мВ на ампер, на 20 А около 100 мВ, на 100 А около 20 мВ: чем шире диапазон, тем грубее разрешение.
4. Полоса пропускания: для медленного контроля хватает единиц килогерц, для управления двигателем и защиты в импульсных схемах нужны сотни килогерц и выше.
5. Время отклика: у быстрых серий это доли микросекунды, и именно оно определяет, успеет ли защита отработать при коротком замыкании.
6. Точность и температурный дрейф: в паспорте указывают погрешность в процентах и смещение нуля, для промышленных условий берут серии с компенсацией.

Как это считается на практике

Возьмем типовой датчик на 5 А с чувствительностью 185 мВ на ампер и питанием 5 В. В покое выход показывает половину питания, то есть 2,5 В. При токе 2 А напряжение поднимется до 2,5 плюс 0,37, то есть 2,87 В. Микроконтроллер с десятибитным АЦП и опорным напряжением 5 В различает примерно 4,9 мВ на шаг, значит разрешение по току составит около 26 мА. Если этого мало, берут датчик с более узким диапазоном или добавляют усиление.

Частая ошибка при выборе это запас, взятый по принципу «чем больше, тем лучше». Датчик на 100 А в цепи с рабочим током 3 А даст такую грубую шкалу, что реальные изменения утонут в шуме и температурном дрейфе. Диапазон подбирают под рабочий ток плюс запас на броски, а не в разы больше.

Частые вопросы

Чем датчик тока лучше шунта?
Шунт дешевле и точнее на малых токах, но он включается в разрыв цепи и не дает гальванической развязки. Датчик на эффекте Холла ставится вокруг проводника, ничего не разрывает и безопасно разделяет силовую и измерительную части. Подробнее о принципе в статье Датчики Холла: принцип работы, виды и применение.

Можно ли измерять ток в цепи с ШИМ?
Да, но датчик должен успевать за фронтами. Для управления двигателем на частоте 20 кГц берут модели с полосой от 100 кГц, иначе показания будут усредненными и защита сработает с опозданием. Как устроена такая модуляция, разобрано в статье ШИМ: что это, как работает и где применяется.

Почему показания плывут при нагреве?
У любого датчика есть температурный дрейф нуля и чувствительности. В паспорте он указан в процентах на градус. Если прибор работает в широком диапазоне температур, выбирают серии с внутренней компенсацией или калибруют нуль при запуске.

Что означает выход ratiometric?
Что выходное напряжение привязано к напряжению питания. Если питание просядет, пропорционально сместится и шкала. Такой датчик нужно питать от того же источника, что и АЦП, тогда погрешности взаимно компенсируются.

Для полной развязки измерительной части пригодятся изоляторы и оптопары, а мощные чип-резисторы в корпусах 2512 из раздела чип-резисторов SMD часто используют как токовые шунты. Соседние группы смотрите в разделе датчиков и сенсоров, а проверить показания вручную поможет инструкция Как пользоваться мультиметром.