Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 12. -
Вып. 4. - 2013. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/TITL-40.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/cont.htm
УДК 621.382.2/.3
МОДЕЛЬ ДАТЧИКА ТОКА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
Ó
2013 г. Амелин С. А. , Пульнова К. Г.
В работе рассмотрены результаты создания и
исследования работы новой универсальной макромодели датчика тока на основе
эффекта Холла для программ схемотехнического моделирования, использующих язык SPICE. Модель была разработана в симуляторе Micro-Cap v. 10 в виде схемного файла, отражающего
внутреннюю структуру датчика тока на основе эффекта Холла, с последующей его
конвертацией в формат PSPICE.
Ключевые слова: датчик тока на
основе эффекта Холла, макромодель, моделирование.
В настоящее время все
большее внимание уделяется моделированию работы разрабатываемых изделий и
устройств перед проведением натурных испытаний и макетированием. Моделирование позволяет сократить время на разработку, испытания и
отладку устройств промышленной электроники. По сравнению с традиционным
макетированием использование математических моделей дает неоспоримые
преимущества, такие как легкость вариации параметров схемы, большая возможность по изучению
процессов, протекающих в моделируемом устройстве. Моделирование позволяет
оптимизировать и уточнять результаты предварительных расчетов, подбирать режимы
работы схемы.
Необходимо учитывать, что математическая
модель — это упрощение, она в принципе не может абсолютно точно воспроизвести
все многообразие свойств реальных компонентов. Следовательно, важно рассматривать
разрабатываемые модели в контексте конкретной решаемой задачи. Главным оценочным
критерием достоверности при проведении схемотехнического моделирования
устройств преобразовательной техники, в составе которых присутствуют датчики
тока, является соответствие результатов
моделирования характеристикам и зависимостям реальных преобразователей.
Датчики тока на
основе эффекта Холла находят широкое применение при измерении тока в
определенном диапазоне частот. Как и от любых других измерительных устройств,
от указанных датчиков, требуется высокая точность и достоверность результатов,
что необходимо учитывать при создании их моделей.
В
настоящее время в библиотеках программ схемотехнического моделирования
семейства Micro–Cap
[2], отсутствуют модели датчиков тока на основе эффекта Холла. Не удалось
обнаружить такие модели ни на сайтах производителей, ни в других общедоступных
источниках. Это ограничивает возможности моделирования определенных устройств
преобразовательной техники. Следовательно, создание макромоделей этих датчиков
тока является актуальной задачей.
Основные
преимущества датчиков тока на основе эффекта Холла — отсутствие потерь
проводимости и возможность измерения как постоянного, так и переменного тока.
Помимо того, элемент Холла изолирован от токовой цепи, что обеспечивает
гальваническую развязку. При этом необходимость внешнего питания нельзя назвать
существенным недостатком, так как в подавляющем большинстве случаев датчик не
является оконечным устройством; после него часто находятся другие компоненты
схемы, также требующие электропитания.
Для измерения постоянных и переменных токов до
50А в диапазоне частот до 100 кГц серийно выпускаются датчики тока в
интегральном исполнении.
Интегральный датчик тока CSA-1V представляет собой линейный датчик Холла,
предназначенный для измерения постоянного и переменного (до 100 кГц) тока. Измерение тока
производится во внешнем проводнике. Датчик выполнен по КМОП–технологии с
дополнительным ферромагнитным слоем в качестве концентратора магнитного потока
для повышения чувствительности. Преимуществом такой конструкции является
возможность обеспечения детектирования магнитного потока без громоздких
ферритовых колец и дополнительных катушек, за счет увеличения полезного сигнала
при сохранении величины шума. Данная особенность позволяет значительно
уменьшить габариты устройства, исключить навесной монтаж и удешевить
конструкцию при увеличении надежности.
Датчик
работоспособен в интервале частот до 100 кГц и имеет время отклика
6 мкс, складывающиеся из 3 мкс задержки включения из-за обработки
сигнала датчиком Холла и из 3-х мкс времени нарастания переднего фронта
выходного усилителя.
Интегральный
датчик тока ACS712
состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением
смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего
роль сигнального пути для тока. Протекающий через этот проводник ток создает
магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила
магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь
сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает
его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.
Подробная реализация полных внутренних структур
датчиков тока на основе эффекта Холла нецелесообразна из-за чрезмерной
сложности. К тому же это не приведет к какому-либо улучшению практически
полезных свойств модели по сравнению с упрощенной структурой, определяющей три
основные характеристики такого датчика:
·
передаточную
характеристику, включая ограничение выходного напряжения при превышении током
допустимого значения (насыщение датчика);
·
временную характеристику датчика (реакцию на
скачок тока);
·
частотную характеристику
(зависимость коэффициента передачи от частоты).
Модель датчика тока на
основе эффекта Холла была разработана в симуляторе Micro-Cap v. 10 в виде схемного файла, отражающего
внутреннюю структуру датчика тока Холла, с последующей его конвертацией в
формат PSPICE.
С точки
зрения реализации основных функций микросхемы CSA-1V и ACS712 имеют идентичную
внутреннюю структуру, что позволило создать для них общую универсальную
математическую модель.
Структурная схема для обеих моделей одинакова
(рисунок 1); для получения заданных характеристик была предусмотрена
возможность изменения параметров входящих в нее звеньев. Внутренняя структура схемной модели соответствует требованиям
точности, экономичности ресурсов ПК и универсальности.
Рисунок 1 — Внутренняя структура схемной
модели датчика тока на основе эффекта Холла
В схемной модели на рисунке 1 можно выделить три
основных блока.
Первый блок отражает суть эффекта Холла и является
формирователем передаточной характеристики датчика. Он состоит из источник тока
I1, сопротивления R1, зависящего от тока источника напряжения Н1,
задаваемого коэффициентом передачи, и ограничителя напряжения Х1. Источник тока
I1 и резистор R1
отражают суть эффекта Холла, настройка их параметров задает величину входного
воздействия. Зависимый источник напряжения Н1 формирует передаточную
характеристику датчика, при этом коэффициент передачи источника может быть
задан нелинейной зависимостью (чего нельзя предусмотреть с помощью более
простых элементов). Также источник напряжения Н1 предусматривает гальваническую
развязку входа и выхода датчика тока. При помощи ограничителя Х1 на выходе формируется
сигнал заданного уровня, обычно не превышающий напряжения питания датчика.
Второй блок формирует временной интервал запаздывания
распространения сигнала и состоит из линии задержки Х2. Данный блок учитывает
инерционность работы реальных датчиков тока на основе эффекта Холла. Время
задержки, складывающееся, как правило, из нескольких компонент, учтено, как
усредненный параметр.
Блок формирования частотной характеристики,
моделирующий выходной фильтр, состоит из следующих компонентов: усилителя Х3,
конденсаторов С1, С2, С3, резисторов R3, R4. Данный блок является дифференциальным инерционным
звеном и позволяет задать необходимые частотные характеристики датчика тока.
Первый полюс частотной характеристики определяется параметрами компонентов С2, R4. Инерционные цепочки (компоненты С1, С3, R2, R3) дают
возможность построить сложные частотные характеристики, имеющие дополнительные
нули и полюса в высокочастотной области, для некоторых моделей датчиков тока.
Для получения заданного выходного сигнала использован сумматор с двумя входами
Х4. Нагрузка датчика упрощенно задана в виде резистора R5.
Схемная модель датчика тока была конвертирована
средствами Micro-Cap в формат PSPICE с
последующим включением данного модуля в библиотеку компонентов программы.
В качестве исходных данных для определения параметров
блоков модели была использована техническая документация на микросхемы (в частности
учтены передаточные, временные и частотные характеристики [1,3]).
Модель датчика тока на основе эффекта
Холла, оформленная для микросхемы ACS712, при
постановке на рабочее поле отображается в виде следующего условно графического
обозначения, созданного для программы Micro-Cap (рисунок 2).
Рисунок 2 — Условно графическое обозначение элемента в программе Micro-Cap
Параметры универсальной модели датчика могут быть
настроены при непосредственном изменении параметров и характеристик компонентов
модели (рисунок 1) в схемотехническом, либо в текстовом варианте на языке SPICE.
Макромодель датчика тока на основе эффекта
Холла» предназначена:
·
для моделирования электронных схем, содержащих в качестве компонента датчик
тока на основе эффекта Холла;
·
для моделирования характеристик и параметров отдельных датчиков тока на
основе эффекта Холла;
·
для создания и настройки (с возможностью дополнения или доработки) новых
моделей датчиков тока Холла.
Макромодель
может быть так же использована в учебном процессе высших учебных заведений при
подготовке студентов по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Макромодель датчика тока
на основе эффекта Холла может быть использована при компьютерном моделировании
в качестве компонента электронных схем. Ее применение целесообразно в качестве
замены или дополнения существующих моделей датчиков тока Холла во всех
программах схемотехнического моделирования, использующих язык SPICE.
Совместимость со SPICE-моделями и возможность их конвертирования позволяют пользователю
применять и анализировать разработки, предназначенные для DesignLab и OrCAD, а
также других программ, использующих язык SPICE.
Конфигурация
программного модуля (рисунок 1) описывает схемотехнику датчиков тока Холла
только как упрощенных структур. Модель учитывает лишь три характеристики
датчиков тока Холла, а именно: передаточную, динамическую, частотную. Макромодель
не подходит для моделирования температурных и шумовых эффектов, некоторых
аварийных режимов, а также других дополнительных режимов работы, которые могут
быть указаны в технической документации на реальные микросхемы.
Результаты
расчетов и моделирования работы созданной универсальной модели (рисунок 3)
с использованием представленной выше структурной схемы достаточно хорошо
совпали с экспериментальными результатами при проведении моделирования работы
микросхемы CSA-1V.
Рисунок 3 —
Переходная характеристика модели датчика тока CSA-1V
Суммарное
время отклика (время задержки в сумме с временем нарастания фронта) составляет
6 мкс, что соответствует паспортным данным.
Полоса пропускания составила 100 кГц, что также соответствует
техническим характеристикам, заявленным производителем (рисунок 4).
Рисунок 4 —
Частотная характеристика модели датчика тока CSA-1V
Переходная
характеристика датчика ACS712
несколько отличается от характеристики CSA-1V — на этапе задержки
появляется небольшой отрицательный выброс напряжения. Приведенная выше
структура способна реализовать и такую характеристику, следует лишь несколько
изменить параметры входящих в нее звеньев. Результаты расчетов и моделирования
с использованием разработанной модели также довольно точно совпадают с
экспериментальными (рисунок 5).
Рисунок 5 —
Переходная характеристика модели датчика тока CSA-1V
При этом полоса пропускания
составляет 80 кГц, что также соответствует техническим характеристикам
(рисунок 6).
Рисунок 6 —
Частотная характеристика модели датчика тока CSA-1V
Совпадение зависимостей и характеристик, полученных при исследовании
работы созданной универсальной модели, с указанными в технической документации
экспериментальными данными, позволяет утверждать, что разработанная модель
адекватно отражает поведение рассмотренных микросхем датчиков тока и пригодна
для моделирования электронных устройств, использующих такие датчики.
В качестве примера, иллюстрирующего применение созданной модели,
представлена упрощенная модель повышающего преобразователя напряжения с токовым
управлением (рисунок 7) и
результаты моделирования работы преобразователя (рисунок 8).
Датчиком тока служит разработанная моделей микросхемы ACS712.
Рисунок 7 —
Модель преобразователя с токовым управлением
Рисунок 8 —
Временные диаграммы старта преобразователя с токовым управлением
В ходе проведенного исследования была изучена работа двух типов
датчиков тока на основе эффекта Холла (ACS712, CSA-1V) и создана их математическая модель с
описанием на языке Spice. Также была
проведена проверка адекватности полученной модели путем моделирования в среде
программы Micro–Cap. Результаты проверки показали, что математическая модель достаточно
точно описывает процессы, происходящие в реальных датчиках, что позволит использовать ее при проведении
схемотехнического моделирования устройств преобразовательной техники, содержащих
указанные датчики тока на основе эффекта Холла.
Литература
1. Datasheet CSA-1V. [Электронный ресурс]: GMW Associates: официальный сайт.
URL :http://www.gmw.com/magnetic_sensors/sentron/csa/documents/AN_102_REV_C.pdf
2. Амелина, М.А. Программа схемотехнического
моделирования Micro-Cap 8 / М.А. Амелина, С.А. Амелин. — М. : Горячая
линия-Телеком, 2007. — 464 с. : ил.
3. Техническая документация ACS712.
[Электронный ресурс]: Allegro Microsystems
: официальный сайт. URL :
http://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS712.aspx
HALL EFFECT CURRENT SENSOR MODEL
Amelin
S. A. , Pulnova K. G.
This work considers the results of the research and development of the new universal Hall effect current sensor macromodel
for circuit simulation programs
using the language SPICE. The model was developed in the simulator
Micro-Cap v. 10 in the form of a circuit file, reflecting the
internal structure of the Hall current
sensor, with its further conversion
into a PSPICE format.
Key words: Hall effect current sensor, macromodel, modeling.
Филиал ФГБОУВПО
«Национальный
исследовательский университет»МЭИ» в г. Смоленске
Поступила в редакцию 18.12.2013.