Hall-Effekt-Strommessung:Open-Loop- und Closed-Loop-Konfigurationen

Lernen Sie in diesem technischen Artikel die Grundlagen von Hall-Effekt-Stromsensoren.

Stromsensoren werden häufig in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Eine gängige Technik ist die Widerstandsstrommessung, bei der der Spannungsabfall über einem Shunt-Widerstand gemessen wird, um den unbekannten Strom zu bestimmen. Lösungen auf Shunt-Widerstandsbasis bieten keine galvanische Trennung und sind nicht energieeffizient, insbesondere bei der Messung großer Ströme.

Eine andere weit verbreitete Technik basiert auf dem Hall-Effekt. Ein Hall-Effekt-Stromsensor bietet durch seine galvanische Trennung zwischen Sensor und zu messendem Strom eine höhere Sicherheit. Es vermeidet auch die beträchtliche Verlustleistung des Shunt-Widerstands, der bei Widerstandsstromerfassungsmethoden verwendet wird.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Grundlagen von Hall-Effekt-Stromsensoren.

Strommessung mit offenem Regelkreis

Die Struktur eines Hall-Effekt-basierten Open-Loop-Stromsensors ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dewesoft

Der zu messende Strom fließt durch einen Leiter, der sich in einem Magnetkern befindet. Auf diese Weise erzeugt der Strom ein Magnetfeld im Inneren des Kerns. Dieses Feld wird von einem Hall-Effekt-Sensor gemessen, der im Kernluftspalt platziert ist.

Der Ausgang des Hall-Sensors ist eine Spannung proportional zum Kernmagnetfeld, das auch proportional zum Eingangsstrom ist. Das von der Hall-Vorrichtung erzeugte Signal wird normalerweise von einer Signalaufbereitungsschaltung verarbeitet. Die Signalkonditionierungsschaltung kann eine einfache Verstärkungsstufe oder eine kompliziertere Schaltung sein, die entwickelt wurde, um den Driftfehler der Hall-Vorrichtung usw. zu eliminieren.

Warum brauchen wir einen Magnetkern?

Angenommen, es gibt keinen Magnetkern. Das Magnetfeld im Abstand r von einem unendlich langen, geraden Leiter, der einen elektrischen Strom von I führt, ist gegeben durch:

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

wobei µ₀ ist die Durchlässigkeit des freien Raums. Für I=1 A, r=1 cm erhalten wir:

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

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie klein dieses Magnetfeld ist, beachten Sie, dass das Erdmagnetfeld etwa 0,5 Gauss beträgt. Daher ist es sehr schwierig, einen 1-A-Strom zu messen, indem das Magnetfeld erfasst wird, das er im freien Raum erzeugt. Um dieses Problem zu bekämpfen, können wir einen Magnetkern verwenden, um das durch den Strom erzeugte Magnetfeld einzugrenzen und zu leiten. Der Kern bietet einen Weg hoher Permeabilität für das Magnetfeld und wirkt als Feldkonzentrator. Das Magnetfeld im Inneren des Kerns kann hundert- oder tausendmal größer sein, als ein gegebener Strom im freien Raum erzeugen kann.

Der Luftspalt

Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist der Magnetkern mit einem Luftspalt ausgestattet, in dem der Hallsensor platziert wird. Der Luftspalt kann zu einem Streuflussphänomen führen, bei dem einige Flusslinien von ihrem geraden Weg abweichen und daher nicht wie erwartet durch den Sensor gehen. Dieser Randeffekt ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Bild mit freundlicher Genehmigung von R. Jez

Aufgrund des Streueffekts kann die von der Hall-Vorrichtung erfasste magnetische Flussdichte kleiner sein als die magnetische Flussdichte innerhalb des Kerns. Mit anderen Worten, der Luftspalt kann die Wirksamkeit des Kerns beim Umwandeln des Primärstroms in ein starkes Magnetfeld verringern. Wenn jedoch die Spaltlänge im Vergleich zur Spaltquerschnittsfläche klein ist, kann der Effekt des Randeffekts relativ gering sein.

Wir brauchen den Luftspalt, um das Magnetfeld im Inneren des Kerns messen zu können. Außerdem erlaubt uns der Luftspalt, die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Kerns zu modifizieren. Beachten Sie, dass ein hoher Strom ein großes Magnetfeld im Inneren des Kerns erzeugen und ihn sättigen kann. Dies kann den maximal messbaren Strom begrenzen. Durch Anpassen der Luftspaltlänge können wir den Sättigungsgrad des Kerns ändern. Abbildung 3 zeigt, wie sich die gemessene magnetische Flussdichte mit der Luftspaltlänge für einen gegebenen Kern ändert.

Abbildung 3. Bild mit freundlicher Genehmigung von Allegro

Mit kleineren Luftspalten können wir eine größere magnetische Verstärkung (Gauß-pro-Ampere-Verstärkung) erreichen. Ein kleinerer Luftspalt kann jedoch dazu führen, dass der Kern bei einem relativ kleineren Strom gesättigt wird. Somit beeinflusst die Spaltlänge direkt den maximal messbaren Strom. Neben der Spaltlänge bestimmen weitere Faktoren wie das Kernmaterial, die Kernabmessungen und die Kerngeometrie den Wirkungsgrad eines Magnetkerns. Weitere Informationen zu für Hochstromanwendungen (>200 A) geeigneten Adern finden Sie in diesem Anwendungshinweis von Allegro.

Einschränkungen der Open-Loop-Strommessung

Bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis können nicht ideale Effekte wie Linearitäts- und Verstärkungsfehler die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Ändert sich beispielsweise die Empfindlichkeit des Sensors mit der Temperatur, so erscheint am Ausgang ein temperaturabhängiger Fehler. Außerdem unterliegt der Kern bei der Strommessung mit offenem Regelkreis einer Sättigung. Außerdem können der Offset des Hallsensors sowie die Kernkoerzitivfeldstärke zu Fehlern beitragen.

Closed-Loop-Strommessung

Die Strommesstechnik mit geschlossenem Regelkreis mit Hall-Effekt ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cheemi-Tech

Wie der Name schon sagt, basiert diese Technik auf Konzepten der negativen Rückkopplung. In diesem Fall gibt es eine Sekundärwicklung, die vom Ausgang des Rückkopplungspfades angesteuert wird. Der Rückkopplungspfad erfasst das Magnetfeld im Inneren des Kerns und passt den Strom durch die Sekundärwicklung so an, dass das Gesamtmagnetfeld des Kerns gleich Null wird. Sehen wir uns an, wie diese Schaltung funktioniert.

Der zu messende Strom fließt durch den Primärleiter und erzeugt im Kern ein Magnetfeld. Dieses Feld wird von einem Hall-Effekt-Sensor gemessen, der im Kernluftspalt platziert ist. Die Ausgabe des Hall-Sensors, die eine dem magnetischen Kernfeld proportionale Spannung ist, wird verstärkt und in ein Stromsignal umgewandelt, das durch die Sekundärwicklung geht. Das System ist so ausgelegt, dass der durch die Sekundärwicklung fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, das dem Magnetfeld des Primärstroms entgegengesetzt ist. Wenn das gesamte Magnetfeld gleich Null ist, sollten wir haben:

\[N_pI_p =N_sI_s\]

wobei N_p und N_s jeweils die Anzahl der Windungen der Primär- und Sekundärwicklung sind; und ich_p und ich_s sind die Primär- und Sekundärströme. In Abbildung 4 haben wir N_p =1 und \[V_{out} =R_m \times I_s\]. Daher erhalten wir:

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

Dadurch erhalten wir eine Spannung, die proportional zum Primärstrom ist. Beachten Sie, dass der Proportionalitätsfaktor \[R_m \times \frac{1}{N_s}\] eine Funktion der Windungszahl und des Shunt-Widerstandswerts ist. Die Windungszahl ist ein konstanter Wert und Widerstände sind ebenfalls sehr linear.

Open-Loop versus Closed-Loop-Strommessung

Die in der Closed-Loop-Architektur verwendete Gegenkopplung ermöglicht es uns, die nicht idealen Effekte wie Linearität und Verstärkungsfehler zu reduzieren. Aus diesem Grund wird eine Closed-Loop-Architektur im Gegensatz zu einer Open-Loop-Konfiguration nicht durch eine Drift der Sensorempfindlichkeit beeinflusst. Daher bietet eine Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis eine höhere Genauigkeit. Ein Stromsensor mit geschlossener Schleife ist robuster gegenüber Kernsättigung, da die magnetische Flussdichte im Kern sehr klein ist.

Bei Closed-Loop-Sensing wird die Sekundärspule aktiv von einem Hochleistungsverstärker angesteuert. Die zusätzlich eingesetzten Komponenten in einer Closed-Loop-Architektur führen zu einer größeren Leiterplattenfläche, einem höheren Stromverbrauch sowie einem höheren Preis.

Stabilitätsprobleme sind ein weiterer Nachteil eines Stromsensors mit geschlossener Schleife. Bei einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis müssen wir die Systemübertragungsfunktion ableiten und sicherstellen, dass das System stabil ist. Ein instabiles System kann als Reaktion auf eine schnelle Änderung des Eingangsstroms Überschwingen oder Klingeln zeigen. Um ein geschlossenes System stabil zu machen, müssen wir normalerweise seine Bandbreite begrenzen. Eine Verringerung der Systembandbreite kann jedoch die Reaktionszeit erhöhen und das System unfähig machen, auf schnelle Änderungen der Eingabe zu reagieren. Von einer Open-Loop-Konfiguration wird normalerweise eine schnellere Reaktionszeit erwartet.

Beachten Sie, dass der Offset des Hall-Sensors sowohl in Konfigurationen mit geschlossenem Regelkreis als auch mit offenem Regelkreis zu Fehlern beitragen kann. Der Offset eines hochwertigen Indiumantimonid (InSb) Hall-Elements beträgt typischerweise ±7 mV.

Moderne integrierte Lösungen

Es ist erwähnenswert, dass moderne Hall-Effekt-basierte Stromsensoren innovative Techniken verwenden, um einige der oben genannten Einschränkungen zu beheben. Der DRV411 von TI ist beispielsweise ein Signalkonditionierungs-IC, der für Stromerfassungsanwendungen mit geschlossenem Regelkreis entwickelt wurde und die Current Spinning-Technik verwendet, um den Hall-Element-Offset und Driftfehler zu eliminieren. Diese Technik ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Aktuelle Spinntechnik, die im DRV411 verwendet wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments

Ein weiteres Beispiel ist der ACS720 [PDF-Download-Link] von Allegro, der für Open-Loop-Strommessanwendungen entwickelt wurde. Der ACS720 verwendet Temperaturkompensationsalgorithmen auf dem Chip, um die Genauigkeit über die Temperatur zu optimieren.

Abbildung 6. Das Blockschaltbild des ACS720. Bild mit freundlicher Genehmigung von Allegro Microsystems [PDF-Download-Link]

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