Недавно я работал над системой управления автономной солнечной электростанцией. В системе есть несколько датчиков Холла с разъемным сердечником для контроля постоянного тока солнечной панели, тока заряда аккумулятора и входного тока инвертора. Эти токи могут изменяться в пределах от 0 А до примерно 20 А, поэтому одной из задач является калибровка датчиков путем проверки их выходных сигналов при различных токах и использование этой информации для регулировки нуля и усиления с помощью потенциометров на датчиках.
Сначала небольшая справка. Датчик Холла с разъемным сердечником не является датчиком на основе трансформатора (поскольку очевидно, что в системе с постоянным током он работать не будет); для измерения напряженности магнитного поля в нем использует твердотельное устройство. Чтобы начать калибровку, я подключил провод к лабораторному источнику питания: один конец к выходу «+», а другой конец к выходу «–». Затем я переключил источник питания в режим стабилизации тока 1 А. Это позволяет сделать большинство источников питания, для чего нужно выбрать произвольное ненулевое выходное напряжение, скажем, 2 В. Затем ограничитель тока устанавливается на значение 1 А. В некоторых источниках питания это называется установкой постоянного тока. Наконец, я разомкнул сердечник, вставил провод и плотно защелкнул сердечник вновь.
Датчики Холла обычно имеют 3 вывода: рабочее напряжение (как правило, +5 В), земля и выходное напряжение датчика, которое является линейной функцией измеряемого магнитного поля. Теперь я мог выполнять измерения при токе 1 А, но мне хотелось проверить несколько точек до 20 А включительно. Источника постоянного напряжения с выходным током 20 А у меня нет. Решение заключается в том, чтобы разомкнуть сердечник и добавить больше витков, используя тот же провод. Тогда измеряемое магнитное поле увеличивается пропорционально количеству витков. Следовательно, чтобы получить сигнал, соответствующий 20 А, я мог бы взять 20 витков, и подключить их к источнику тока 1 А, или использовать 10 витков и источник тока 2 А. Но оказалось, что добавление и убавление витков утомительно и уязвимо для ошибок, и я подумал, что было бы лучше настроить калибровочную станцию.
Давайте начнем с фотографии конечного устройства с закрепленным на нем датчиком Холла с разъемным сердечником (Рисунок 1):
 |
|
| Рисунок 1. | Изображение калибровочной станции для датчика тока с разъемным сердечником с установленным датчиком Холла. |
А дальше самая важная схема (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Схема калибровочной станции. |
(Ну ладно, она не так сложна, как ваш мобильный телефон, но она все же может делать что-то полезное… например, выполнять умножение аналогового сигнала).
Итак, калибровочная станция состоит из корпуса с двумя разъемами типа «банан» и отрезка провода. Остальная магия заключается в правильном создании нескольких петель, чтобы получить различные кажущиеся токи для измерений в датчике на эффекте Холла.
Как видно из Рисунка 1, корпус имеет 4 отверстия, которые мы будем называть боксами. В этом примере мы создадим четыре разных бокса с обмотками из 1 петли, 2 петель, 5 петель и 10 петель. Это означает, что при входном токе 2 А, идущем через разъемы типа «банан», закрепленный датчик Холла в различных боксах будет измерять 2 А, 4 А, 10 А и 20 А. Выше я использовал слово «петли» не совсем точно, как вы сейчас увидите.
Давайте посмотрим, как создать петли внутри корпуса (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Показано, каким образом провод диаметром 0.5 мм был обмотан вокруг каждого бокса, чтобы получить 1, 2, 5 и 10 петель. |
На Рисунке 3 показана станция со снятой крышкой и без ножек, а также внутренняя раскладка проводов для приведенного выше примера. Я использовал около 2.5 метров провода диаметром 0.5 мм. На самом деле это обычный провод для стационарного телефона, но он ничем не отличается от отдельных проводов в Ethernet-кабеле. (Хотя тип провода ни на что не влияет, за исключением того, может ли он выдержать ток, подаваемый от источника питания, и насколько удобно укладывать его в корпусе).
Провод начинается от красного разъема. Затем провод идет в нижний канал под боксом 1, хотя разглядеть это на фотографии немного трудно из-за собранного в пучок дополнительного провода. Можно видеть, что через канал под боксом 1 проходит только один провод. Датчик зажимается вокруг этого нижнего канала, поэтому, если закрепить датчик на нижнем канале бокса 1, он будет видеть только магнитное поле одного провода, то есть ток источника питания. Глядя на бокс 2, мы видим, что провод сначала проходит через нижний канал под коробкой, а затем оборачивается вокруг бокса 2 против часовой стрелки. После этого витка в нижнем канале под боксом 2 имеются 2 провода, поэтому датчик, зафиксированный на боксе 2, увидит 2-кратное магнитное поле и, соответственно, он зарегистрирует 2-кратное увеличение тока питания. Аналогичным образом провод будет проходить в нижнем канале под боксом 3, а затем, перед тем, как пройти под боксом 4, вокруг бокса 4 сделаны 4 витка против часовой с стрелки. В боксе 3 датчик увидит 5-кратное магнитное поле. Бокс 4 создан аналогичным образом, но вокруг него сделано 9 тков, поэтому датчик видит ток, проходящий через 10 проводов, и 10-кратное магнитное поле и, тем самым, измеряет 10-кратный ток источника питания. Затем провод подключается к черному разъему «банан».
В этом примере мы увеличивали ток в 1, 2, 5 и 10 раз, но можно использовать любые значения, которые подходят для конкретных нужд. Один из вариантов – сделать все боксы одинаковыми, разместив в них, скажем, по 4 витка; тогда можно было бы калибровать 4 датчика одновременно. И вообще, можно соединить несколько калибровочных стендов последовательно и калибровать 8, 12, 16 и т. д. датчиков одновременно. Также обратите внимание, что 10-кратное увеличение – это не максимум.
Несколько замечаний:
- Я назвал это калибровочным стендом, так что в реальной установке вы, вероятно, захотите последовательно с калибровочной станцией установить хороший откалиброванный амперметр, например, 5½-разрядный лабораторный прибор. Кроме того, если у вас нет источника постоянного тока, просто используйте любой источник питания с последовательным резистором соответствующего номинала и амперметром.
- Файлы для 3D-печати корпуса стенда можно найти на сайте [1].
- Стенд собран с помощью винтов M3 длиной 6 мм, а разъем «банан» – Pomona модели 4243, но я подозреваю, что подойдут и другие разъемы типа «банан». Кроме того, в нескольких местах я использовал горячий клей для фиксации проводов.
- В ножках есть отверстия, позволяющие привинтить стенд к лабораторному столу или устойчивому основанию.
