ホール効果電流検出：開ループおよび閉ループ構成

この技術記事でホール効果電流センサーの基本を学びます。

電流センサーは、さまざまなアプリケーションで広く使用されています。一般的な手法は、シャント抵抗の両端の電圧降下を測定して未知の電流を決定する抵抗電流検出です。シャント抵抗ベースのソリューションは、ガルバニック絶縁を提供せず、特に大電流を測定する場合、電力効率が良くありません。

もう1つの広く使用されている手法は、ホール効果に基づいています。ホール効果電流センサーは、センサーと測定される電流の間のガルバニック絶縁により、より高いレベルの安全性を提供します。また、抵抗電流検出方式で採用されているシャント抵抗のかなりの電力損失を回避します。

この記事では、ホール効果電流センサーの基本を見ていきます。

開ループ電流検出

ホール効果ベースの開ループ電流センサーの構造を図1に示します。

図1。 画像提供：Dewesoft

測定される電流は、磁気コアの内部にある導体を流れます。このようにして、電流はコア内に磁場を生成します。このフィールドは、コアエアギャップに配置されたホール効果センサーによって測定されます。

ホールセンサーの出力は、入力電流にも比例するコア磁場に比例する電圧です。ホールデバイスによって生成された信号は、通常、信号調整回路によって処理されます。信号調整回路は、単純な増幅段でも、ホールデバイスのドリフトエラーなどを排除するように設計されたより複雑な回路でもかまいません。

なぜ磁気コアが必要なのですか？

磁気コアがないと仮定します。 Iの電流を運ぶ無限に長い真っ直ぐな導体からrの距離にある磁場は、次の式で与えられます。

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

ここで、µ ₀ は自由空間の透磁率です。 I =1 A、r =1 cmの場合、次のようになります。

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

この磁場がどれほど小さいかを知るために、地球の磁場は約0.5ガウスであることに注意してください。したがって、自由空間で生成される磁場を検出して1Aの電流を測定することは非常に困難です。この問題に対処するために、磁気コアを使用して、電流によって生成される磁場を閉じ込めて誘導することができます。コアは、磁場に対して高い透磁率のパスを提供し、磁場コンセントレータとして機能します。コア内の磁場は、特定の電流が自由空間で生成できる磁場よりも数百倍または数千倍大きくなる可能性があります。

エアギャップ

図1に示すように、磁気コアは、ホールセンサーが配置されるエアギャップを使用して設計されています。エアギャップは、一部の磁束線が直線経路から外れるため、センサーを期待どおりに通過しないフリンジ磁束現象を引き起こす可能性があります。このフリンジ効果を図2に示します。

図2。 画像提供：R。Jez

フリンジ効果により、ホールデバイスが感知する磁束密度は、コア内部の磁束密度よりも小さくなる可能性があります。言い換えれば、エアギャップは一次電流を強い磁場に変換する際のコアの効率を低下させる可能性があります。しかしながら、ギャップの断面積と比較してギャップの長さが小さい場合、フリンジ効果の効果は比較的小さい可能性がある。

コア内部の磁場を測定できるようにするには、エアギャップが必要です。さらに、エアギャップにより、コアの全体的な磁気抵抗を変更できます。大電流はコア内に大きな磁場を生成し、それを飽和させる可能性があることに注意してください。これにより、測定できる最大電流が制限される可能性があります。エアギャップの長さを調整して、コアの飽和レベルを変更できます。図3は、特定のコアのエアギャップ長に応じて検出される磁束密度がどのように変化するかを示しています。

図3。 Allegroの画像提供

エアギャップを小さくすると、より大きな磁気ゲイン（アンペアあたりのガウスゲイン）を実現できます。ただし、エアギャップが小さいと、比較的小さい電流でコアが飽和する可能性があります。したがって、ギャップ長は測定可能な最大電流に直接影響します。ギャップの長さに加えて、コアの材料、コアの寸法、コアの形状など、磁気コアの効率を決定する他の要因があります。大電流アプリケーション（> 200 A）に適したコアの詳細については、Allegroのこのアプリケーションノートを参照してください。

開ループ電流検出の制限

開ループ構成では、直線性やゲインエラーなどの非理想的な影響が測定精度に影響を与える可能性があります。たとえば、センサーの感度が温度によって変化する場合、温度に依存するエラーが出力に表示されます。さらに、開ループ電流検出では、コアが飽和状態になります。さらに、ホールセンサーのオフセットとコアの保磁力がエラーの原因となる可能性があります。

閉ループ電流検出

閉ループホール効果電流検出技術を図4に示します。

図4。 Cheemi-Techの画像提供

名前が示すように、この手法はネガティブフィードバックの概念に基づいています。この場合、フィードバックパスの出力によって駆動される二次巻線があります。フィードバックパスはコア内部の磁場を感知し、コアの総磁場がゼロになるように二次巻線を流れる電流を調整します。この回路がどのように機能するか見てみましょう。

測定される電流は一次導体を通って流れ、コア内に磁場を生成します。このフィールドは、コアエアギャップに配置されたホール効果センサーによって測定されます。コア磁場に比例する電圧であるホールセンサーの出力は増幅され、二次巻線を通過する電流信号に変換されます。このシステムは、二次巻線を流れる電流が一次電流の磁場に対抗する磁場を生成するように設計されています。総磁場がゼロに等しい場合、次のようになります。

\ [N_pI_p =N_sI_s \]

ここで、N _p およびN _s それぞれ一次巻線と二次巻線の巻数です。およびI _p と私は _s 一次電流と二次電流です。図4には、N _p があります。 =1および\ [V_ {out} =R_m \ times I_s \]。したがって、次のようになります。

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

これにより、一次電流に比例する電圧が得られます。比例係数\ [R_m \ times \ frac {1} {N_s} \]は、巻数とシャント抵抗値の関数であることに注意してください。巻数は一定値であり、抵抗器も非常に線形です。

開ループと閉ループの電流検出

閉ループアーキテクチャで採用されている負のフィードバックにより、線形性やゲインエラーなどの非理想的な影響を減らすことができます。そのため、開ループ構成とは異なり、閉ループアーキテクチャはセンサー感度のドリフトの影響を受けません。したがって、閉ループ構成はより高い精度を提供します。閉ループ電流センサーは、コア内部の磁束密度が非常に小さいため、コアの飽和に対してより堅牢です。

閉ループ検知では、二次コイルは高出力増幅器によってアクティブに駆動されます。閉ループアーキテクチャで採用されている追加のコンポーネントは、PCB面積の拡大、消費電力の増加、および価格の上昇につながります。

安定性の問題は、閉ループ電流センサーのもう1つの欠点です。閉ループ構成では、システム伝達関数を導出し、システムが安定していることを確認する必要があります。不安定なシステムは、入力電流の急激な変化に応じてオーバーシュートまたはリンギングを示す可能性があります。閉ループシステムを安定させるには、通常、帯域幅を制限する必要があります。ただし、システム帯域幅を減らすと、応答時間が長くなり、システムが入力の急激な変化に応答できなくなる可能性があります。開ループ構成は通常、より速い応答時間を示すことが期待されます。

ホールセンサーのオフセットは、閉ループ構成と開ループ構成の両方でエラーの原因となる可能性があることに注意してください。高品質のアンチモン化インジウム（InSb）ホール素子のオフセットは、通常±7mVです。

最新の統合ソリューション

最新のホール効果ベースの電流センサーは、上記の制限のいくつかに対処するために革新的な技術を採用していることに言及する価値があります。たとえば、TIのDRV411は、閉ループ電流検出アプリケーション向けに設計された信号調整ICであり、電流スピニング技術を使用してホール素子のオフセットおよびドリフトエラーを排除します。この手法を図5に示します。

図5。 DRV411で使用されている現在のスピニング技術。テキサスインスツルメンツの画像提供

もう1つの例は、開ループ電流検出アプリケーション用に設計されたAllegroのACS720 [PDFダウンロードリンク]です。 ACS720は、オンチップの温度補償アルゴリズムを使用して、温度に対する精度を最適化します。

図6。 ACS720のブロック図。 AllegroMicrosystemsの画像提供[PDFダウンロードリンク]

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