Manyetik çekirdeksiz Hall etkisi akım sensörü IC için ortak mod alan bastırma teknolojisi
Özet: Hall etkisi, entegre akım taşıyan devre tarafından üretilen manyetik alanı ölçmek için kullanılabilir Bu tekniğin birçok avantajı vardır. Bir manyetik çekirdek kullanılmazsa, bazı problemler olacaktır, yani sensör IC, başıboş manyetik alanlara duyarlıdır ve Hall plakası, yüksek akım taşıyıcı sıvı veya solenoidler tarafından üretilen ve akım ölçümünde hatalara neden olabilecek başıboş alanlara sahip olacaktır. Bu sorunun temel çözümü, entegre diferansiyel akım algılama teknolojisidir. Entegre diferansiyel akım algılama, başıboş manyetik alanların ürettiği hatayı bir ila iki büyüklük sırası kadar azaltabilir. Bu şekilde, bu tür sensör IC'lerin kullanıcılarının artık kaçak alan girişim akımlarının ölçümü konusunda endişelenmesine gerek kalmaz ve PCB düzeni basitleştirilebilir.
1 Teknik arka plan
Allegro akım sensörü IC, entegre akım taşıyan devre tarafından üretilen manyetik alanı ölçmek için Hall efektini kullanır ve manyetik alanı akımla orantılı bir voltaja dönüştürebilir. Bu teknolojinin galvanik izolasyon, düşük güç kaybı ve farklı sıcaklıklarda yüksek doğruluk gibi birçok avantajı vardır. Bu teknoloji, manyetik alanı yoğunlaştırmak için manyetik bir çekirdek kullanmaz, dolayısıyla histerezisi neredeyse sıfırdır. Bununla birlikte, bir manyetik çekirdek kullanmamanın bir dezavantajı vardır, yani sensör IC, başıboş manyetik alanlardan kolayca etkilenir. Manyetik bir çekirdek kullanılırken, manyetik çekirdek sensör IC etrafında düşük manyetik dirençli bir yol sağladığından sensör IC etrafında başıboş manyetik alanlar şöntlenebilir. Filtre elemanı kullanılmadığında, yüksek akım taşıyıcı sıvı veya solenoidler tarafından üretilen başıboş alanlar Hall plakasında görünecek ve bu da akım ölçülürken hatalara neden olabilir. Doğru devre kartı ve sistem tasarımı, akımı ölçerken bu hata kaynaklarını ortadan kaldırabilir; ancak optimize edilmiş izleme düzeni, PCB ve sistemin tasarımını da sınırlayabilir. Bu sorunun çözümü, entegre diferansiyel akım algılama teknolojisidir. ACS724 entegre akım sensörü IC, Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1 ACS724 entegre akım sensörü IC
Diferansiyel akım algılamanın temel prensibi, akım taşıyan iletkenin her iki tarafında üretilen manyetik alanların zıt kutuplara sahip olmasıdır. Yani, Şekil 2'de gösterilen akım taşıyan kurşun çerçeve kullanıldığında, Hall plakası 1 (H1) gösterilen akım tarafından üretilen aralığın dışında bir manyetik alana sahip olacak ve Hall plakası 2 (H2) görünecektir. Menzil içinde manyetik alan. Akım sensörü IC üzerinde ortak bir mod alanı olduğunda, aynı manyetik alan iki Hall plakasında görünür. İki Hall plakasının çıktısını çıkararak, bu harici olarak üretilen manyetik alanları bastırabiliriz. Diferansiyel akım sensörü IC'nin çıkışı formül (1) 'de gösterilmiştir:
VOUT = G × (B1-B2) (1)
Bunların arasında B1, H1'in manyetik alanını temsil eder, B2, H2'nin manyetik alanını temsil eder ve G, sensör IC'nin kazancını temsil eder (birim: mV / G). Kılavuz çerçeveden (I) geçen akım varsa ve sensör IC (BC) üzerinde ortak bir mod alanı varsa, diferansiyel sensör IC'nin çıkışı:
VOUT = G × (-) (2)
Bunlar arasında C1, H1'in (birim: G / A) birleştirme faktörünü temsil eder ve C2, H2'nin (birim: G / A) birleştirme faktörünü temsil eder. Denklemi basitleştirdikten sonra şunu elde edebiliriz:
VOUT = G × I × (C1 + C2) (3)
Ortak mod alanı (BC) iptal olur ve çıkış sinyali yalnızca sensör IC'den geçen akımla orantılıdır. Benzer şekilde, Hall plakası yalnızca bir boyuttaki manyetik alanları ölçebildiğinden, sensör IC'si diğer düzlemlerdeki harici manyetik alanları göz ardı eder.
Şekil 2 Diferansiyel Hall plaka konfigürasyonuna sahip entegre akım sensörü IC kılavuz çerçevesi
3 Diferansiyel akım algılamanın sınırlayıcı faktörleri
Diferansiyel akım algılamanın bastırma yeteneğinin iki ana sınırlaması vardır:
(1) Hall plakası eşleştirme: Ortak mod alanının etkisi altında, iki Hall plakasının uyumsuzluğu, diferansiyel sensör IC'nin çıkışında bazı değişikliklere neden olacaktır. Allegro akım sensörü IC, monolitik bir cihazdır, bu nedenle her iki Hall plakası aynı çip üzerindedir ve bu, nominal ve aşırı sıcaklık koşulları arasında yüksek bir eşleşme üretebilir. Tek bir çip üzerindeki Hall plakası eşleşmesi genellikle% 1'den yüksektir.
(2) Alan gradyanı: İki Hall plakasından geçen harici parazit manyetik alanı tek tip değilse, parazit manyetik alandaki fark sensör IC'nin çıkışına yayılacaktır. Bu sınırlamayla başa çıkmak için, iki Hall plakasını iletkenin diğer tarafında tutarken mümkün olduğunca yakın yerleştirin.
4 Tek tip harici manyetik alanın ortak mod reddi
Hail plakasının çip üzerindeki eşleşmesi genellikle yaklaşık% 1'dir, bu da ortak mod alanının bastırılmasını yaklaşık 40 dB ile sınırlar. Bu tek tip harici manyetik alanın (BC) etkisi altında, sensör IC'nin (birim: A) çıkış hatası:
CF, sensör IC'den Hall plakasına akan akımın yukarıdaki C1 + C2 toplamına eşit olan kuplaj faktörünü (birim: G / A) temsil ettiğinde. Çoğu Allegro entegre akım sensörü IC'sinin kuplaj faktörü, yaklaşık 10 ila 15 G / A'dır ve bu, Şekil 3'te gösterilen çıkış hatası (birim: A) ile harici manyetik alan arasındaki orantılı ilişkiyi üretecektir. Bu tür bir manyetik alanın nasıl üretileceğini anlamak için, sensör IC'sinden sadece 10 mm uzaklıktaki bir telde 50 A'lık bir akım uygulayarak sensör IC üzerinde 10 G'lık bir manyetik alan oluşturabiliriz. Hall plakasının eşleşmesi% 1 olduğunda, manyetik alanın mevcudiyetine bağlı olarak, sensör IC'nin çıkışı yalnızca yaklaşık 10 mA'lık bir hata üretecektir.Aksine, ortak mod alan bastırma kullanılmadığında, 1 A hata oluşacaktır.
Şekil 3 İki Hall plakası% 1 oranında uyumsuz olduğunda ve ortak mod alanı CF = 10 G / A olduğunda hatanın karşılaştırılması (birim: A)
5 Bitişik akım taşıyan iletkenler tarafından üretilen manyetik alanın ortak mod bastırması
Akım sensörü IC uygulamalarında, en yaygın girişim manyetik alanlarından biri, akım taşıyan iletkenlere bitişiktir. Bunlar başka fazlar veya toprak döngüleri olabilir. Akım taşıyan iletken tarafından üretilen manyetik alan, akımın yönüne bağlı olarak iki Hall plakasında düzensiz alanlar oluşturabilir. En kötü durum, Şekil 4'te gösterildiği gibi, akım yönünün iki Hall plakasına dik olmasıdır.
Şekil 4 İki Hall plakasına dik harici akım
Bu durumda, H1 ve H2'nin manyetik alanları:
Yalnızca bir Hall plakası kullanıldığında, B1 üretilen manyetik alandır. Diferansiyel konfigürasyon kullanıldığında, iki Hall plakasının (B1 ve B2) manyetik alanları çıkarılabilir, böylece:
Bu manyetik alanların kuplaj faktörü CF (~ 10 ila 15 G / A) ile bölünmesi, bu parazitli manyetik alanları hatalara dönüştürebilir (birim: A). Şekil 5, yalnızca bir Hall plakası kullanıldığında hata ve mesafe arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 5 Ayrı Hall sensörünün akım taşıyan teli
Hata (A) ve mesafe (d 0,8 mm) arasındaki ilişki
Şekil 6 Akım yönü ve Hall plakası
Dikey olduğunda (d 0,8 mm), diferansiyel algılama
Akım taşıyan tel hatası (A) ve mesafe arasındaki ilişki
Şekil 6, diferansiyel konfigürasyon kullanılırken oluşan hatayı göstermektedir. Şekil 7, tek Hall konfigürasyonu ile diferansiyel Hall konfigürasyonu arasındaki reddetme oranını (birim: dB) gösterir. Dikkat edilmesi gereken en önemli nokta, 10X reddetmede, reddetme oranının -20 dB ve 30X reddetmede reddetme oranının -30 dB olmasıdır. Bu noktalar, Şekil 8'de gösterildiği gibi D ve d oranına bağlıdır. Şekil 8'deki tüm D ve d değerleri değişmeden kalır, yani Hall plakası arasındaki mesafenin azaltılması ve Hall plakası ile harici akım taşıyan tel arasındaki mesafenin artırılması, ölçülen değerdeki hata miktarını azaltacaktır. Çoğu Allegro entegre akım sensörü IC'sinin Hall aralığı (d) yaklaşık 0,6 ila 1 mm'dir.
Şekil 7 Harici kablo ile sensör IC arasındaki mesafe içinde,
Tek Hall konfigürasyonu ve diferansiyel Hall konfigürasyonunun red oranı.
Dış tellerin akım yönü iki Hall plakasına diktir.
d 0,8 mm'dir
Şekil 8 Dış kablo ve manyetik sensör IC
Göreceli mesafe içinde, ayrı Hall konfigürasyonu ve diferansiyel
Salon konfigürasyonu reddetme oranı (D / d). Dış kablo
Akım yönü iki Hall plakasına diktir
Bitişik akım taşıyan iletkenin akım yönü iki Hall plakasına paralel olduğunda, iki Hall plakasında aynı manyetik alan üretilecektir. Bu, teorik olarak sonsuzluğu bastıran ideal bir durumdur. Bunlar arasında, bastırma için sınırlayıcı faktör, yukarıda tarif edildiği gibi Hail plakasının eşleşmesidir. Elbette en kötü durum (dikey konfigürasyon) ile ideal durum (paralel konfigürasyon) arasındaki her şey meydana gelebilir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, girişim manyetik alanının hesaplama yöntemi aşağıdaki gibidir:
6 Test verileri
Diferansiyel akım algılama kullanan ACS724 akım sensörü IC, bu makalede açıklanan analizi doğrulamak için kullanılabilir. Test sırasında, akım taşıyan teli sensör IC'nin yanına yerleştirebilir ve bunu Hall plakasına dik hale getirebilir ve ardından sensör IC'nin çıkışındaki farklı mesafelerde ve akım güçlerinde değişimi ölçebilirsiniz. Hatayı tahmin etmek için ACS724 tarafından kullanılan ana parametreler şunları içerir:
Şekil 9 Bitişik akımın ürettiği açı dışı manyetik alan
(1) Hall plakaları arasındaki mesafe (d) 0,7 mm'dir.
(2) Bir Hail plakasıyla kuplaj 11 G / A'dır ve başka bir Hail plakasıyla kuplaj 2,8 G / A'dır, bu nedenle toplam kuplaj faktörü (CF) 13,8 G / A'dır.
Bu nedenle, tahmin hatası (A):
Şekil 10 Diferansiyel Hall sensörü akım taşıyan tel
Tahmin hatası (A) ve mesafe arasındaki ilişki
Şekil 10'daki noktalı çizgi, bu formül kullanılarak hesaplanan tahmini hatayı temsil eder ve şekildeki noktalar ölçülen değeri temsil eder. Kısaca, test verileri hesaplanan hatayla eşleşir. Ölçüm hatası, hesaplama hatasından biraz daha küçük olabilir, çünkü bitişik teller, sensör IC üzerindeki manyetik alanı zayıflatan Hall plakası ile aynı düzlemde değildir.
7. Karar
Kısaca, entegre diferansiyel akım algılama, kaçak manyetik alan tarafından üretilen hatayı bir ila iki büyüklük sırası kadar azaltır. Bu şekilde, bu tip sensör IC'nin kullanıcılarının artık kaçak alan girişim akımının ölçümü konusunda endişelenmesine gerek kalmaz ve PCB düzenini basitleştirebilir ve daha kompakt bir sistem kullanabilir. Akım taşıyan izleri veya manyetik alan üreten cihazları (solenoidler gibi) kullanan yüksek oranda sıkıştırılmış sistemler için, bu makaledeki analiz, bu başıboş alanlar tarafından üretilen hata miktarını hızlı bir şekilde tahmin etmek için kullanılabilir. Bu şekilde, tasarımcılar sisteme aşırı hatalar getirebilecek sistem konfigürasyonlarını veya PCB düzenlerini öngörebilir ve düzeltebilir, böylece tasarım yinelemelerinin sayısını önemli ölçüde azaltabilir.
Referanslar
R S. Popovic. Hall Effect Device, Second Edition. IoP Publishing Ltd., 2004.
DC ve Geçici Akım CapabilityCharacteristics.http: //www.allegromi-cro.com/en/Design-Center/Techni-cal-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability- Fuse-Character-istics.aspx.
Ferromanyetik Çekirdekler Kullanılarak Mevcut Sensör IC'lerinde Histerez Azaltımı.
aspx.
Allegro ACS724 Datasheet.http: //www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS724-Datasheet.ashx.
Juan Manuel Cesaretti. Hall Sensörlerinde Mekanik Gerilme ve Gerilme Kompanzasyonu Georgia Institute of Technology, 2008. https://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/28202/cesaretti_juan_m_200805_mast.pdf.
