홀 효과 전류 감지:개방 루프 및 폐쇄 루프 구성

이 기술 문서에서 홀 효과 전류 센서의 기본 사항에 대해 알아보십시오.

전류 센서는 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 일반적인 기술은 션트 저항기의 전압 강하를 측정하여 알 수 없는 전류를 결정하는 저항성 전류 감지입니다. 션트 저항 기반 솔루션은 갈바닉 절연을 제공하지 않으며 특히 큰 전류를 측정할 때 전력 효율적이지 않습니다.

널리 사용되는 또 다른 기술은 홀 효과를 기반으로 합니다. 홀 효과 전류 센서는 센서와 측정할 전류 사이의 갈바닉 절연으로 인해 더 높은 수준의 안전을 제공합니다. 또한 저항 전류 감지 방법에 사용되는 션트 저항의 상당한 전력 손실을 방지합니다.

이 기사에서는 홀 효과 전류 센서의 기본 사항을 살펴보겠습니다.

개방형 전류 감지

홀 효과 기반 개루프 전류 센서의 구조는 그림 1과 같습니다.

그림 1. 이미지 제공:Dewesoft

측정할 전류는 자기 코어 내부에 있는 도체를 통해 흐릅니다. 이러한 방식으로 전류는 코어 내부에 자기장을 생성합니다. 이 필드는 코어 에어 갭에 배치된 홀 효과 센서에 의해 측정됩니다.

홀 센서의 출력은 코어 자기장에 비례하는 전압이며 입력 전류에도 비례합니다. 홀 장치에 의해 생성된 신호는 일반적으로 신호 조절 회로에 의해 처리됩니다. 신호 조절 회로는 단순한 증폭 단계이거나 홀 장치 드리프트 오류 등을 제거하도록 설계된 더 복잡한 회로일 수 있습니다.

자기 코어가 필요한 이유는 무엇입니까?

자기 코어가 없다고 가정합니다. I의 전류를 전달하는 무한히 길고 직선인 도체로부터 r만큼 떨어진 자기장은 다음과 같이 주어진다.

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

여기서 µ₀ 여유 공간의 투자율입니다. I=1A, r=1cm에 대해 다음을 얻습니다.

\[B =2 \times 10^{-5}~테슬라 =0.2~가우스\]

이 자기장이 얼마나 작은지 느끼려면 지구의 자기장이 약 0.5가우스라는 점에 유의하십시오. 따라서 자유 공간에서 발생하는 자기장을 감지하여 1A 전류를 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 자기 코어를 사용하여 전류에 의해 생성된 자기장을 제한하고 안내할 수 있습니다. 코어는 자기장에 대한 높은 투자율의 경로를 제공하고 필드 집중기 역할을 합니다. 코어 내부의 자기장은 주어진 전류가 자유 공간에서 생성할 수 있는 것보다 수백 배 또는 수천 배 더 클 수 있습니다.

공극

그림 1과 같이 자기 코어는 홀 센서가 위치하는 에어 갭으로 설계되었습니다. 에어 갭은 일부 플럭스 라인이 직선 경로에서 벗어나 예상대로 센서를 통과하지 못하는 프린징 플럭스 현상을 유발할 수 있습니다. 이 프린징 효과는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 이미지 제공:R. Jez

프린징 효과 때문에 홀 소자에서 감지되는 자속 밀도는 코어 내부의 자속 밀도보다 작을 수 있습니다. 즉, 에어 갭은 1차 전류를 강한 자기장으로 변환할 때 코어의 효율을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 갭 단면적에 비해 갭 길이가 작으면 프린징 효과의 효과가 상대적으로 작을 수 있다.

코어 내부의 자기장을 측정할 수 있으려면 에어 갭이 필요합니다. 게다가, 에어 갭을 통해 코어의 전반적인 저항을 수정할 수 있습니다. 고전류는 코어 내부에 큰 자기장을 생성하고 포화시킬 수 있습니다. 이것은 측정할 수 있는 최대 전류를 제한할 수 있습니다. 에어 갭 길이를 조정하여 코어 포화 수준을 변경할 수 있습니다. 그림 3은 감지된 자속 밀도가 주어진 코어의 에어 갭 길이에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다.

그림 3. 이미지 제공:Allegro

더 작은 에어 갭으로 더 큰 자기 이득(암페어당 가우스 이득)을 얻을 수 있습니다. 그러나 더 작은 에어 갭은 상대적으로 더 작은 전류에서 코어를 포화 상태로 만들 수 있습니다. 따라서 갭 길이는 측정할 수 있는 최대 전류에 직접적인 영향을 미칩니다. 간격 길이 외에도 코어 재료, 코어 치수 및 코어 형상과 같은 다른 요소가 자기 코어의 효율성을 결정합니다. 고전류 애플리케이션(>200A)에 적합한 코어에 대한 자세한 내용은 Allegro의 이 애플리케이션 노트를 참조하십시오.

개루프 전류 감지의 한계

개방 루프 구성을 사용하면 선형성 및 이득 오류와 같은 비이상적인 효과가 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 센서의 감도가 온도에 따라 변하면 온도에 따른 오류가 출력에 나타납니다. 또한 개루프 전류 감지를 사용하면 코어가 포화될 수 있습니다. 또한 코어 보자력뿐만 아니라 홀 센서의 오프셋도 오류에 기여할 수 있습니다.

폐회로 전류 감지

폐쇄 루프 홀 효과 전류 감지 기술은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. 이미지 제공:Chemi-Tech

이름에서 알 수 있듯이 이 기술은 부정적인 피드백 개념을 기반으로 합니다. 이 경우 피드백 경로의 출력에 의해 구동되는 2차 권선이 있습니다. 피드백 경로는 코어 내부의 자기장을 감지하고 코어의 총 자기장이 0이 되도록 2차 권선을 통해 전류를 조정합니다. 이 회로가 어떻게 작동하는지 봅시다.

측정할 전류는 1차 도체를 통해 흐르고 코어 내부에 자기장을 생성합니다. 이 필드는 코어 에어 갭에 배치된 홀 효과 센서에 의해 측정됩니다. 코어 자기장에 비례하는 전압인 홀 센서의 출력은 증폭되어 2차 권선을 통과하는 전류 신호로 변환됩니다. 시스템은 2차 권선을 통과하는 전류가 1차 전류의 자기장에 반대되는 자기장을 생성하는 방식으로 설계되었습니다. 총 자기장이 0과 같으면 다음과 같아야 합니다.

\[N_pI_p =N_sI_s\]

여기서 N_p 및 N_s 는 각각 1차 및 2차 권선의 권수입니다. 그리고 나는_p 그리고 나_s 1차 및 2차 전류입니다. 그림 4에는 N_p가 있습니다. =1 및 \[V_{out} =R_m \times I_s\]. 따라서 다음을 얻습니다.

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

이것은 1차 전류에 비례하는 전압을 제공합니다. 비례 계수 \[R_m \times \frac{1}{N_s}\]는 권선 수와 션트 저항 값의 함수입니다. 회전 수는 일정한 값이며 저항도 매우 선형입니다.

개루프 대 폐루프 전류 감지

폐쇄 루프 아키텍처에 사용된 네거티브 피드백을 통해 선형성 및 이득 오류와 같은 비이상적인 효과를 줄일 수 있습니다. 이것이 개방 루프 구성과 달리 폐쇄 루프 아키텍처가 센서 감도의 드리프트에 영향을 받지 않는 이유입니다. 따라서 폐쇄 루프 구성은 더 높은 정확도를 제공합니다. 폐쇄 루프 전류 센서는 코어 내부의 자속 밀도가 매우 작기 때문에 코어 포화에 더 강력합니다.

폐쇄 루프 감지에서 2차 코일은 고전력 증폭기에 의해 능동적으로 구동됩니다. 폐쇄 루프 아키텍처에 사용되는 추가 구성 요소는 더 큰 PCB 영역, 더 높은 전력 소비 및 더 높은 가격으로 이어집니다.

안정성 문제는 폐쇄 루프 전류 센서의 또 다른 단점입니다. 폐쇄 루프 구성에서는 시스템 전달 함수를 도출하고 시스템이 안정적인지 확인해야 합니다. 불안정한 시스템은 입력 전류의 빠른 변화에 대한 응답으로 오버슈트 또는 링잉을 나타낼 수 있습니다. 폐쇄 루프 시스템을 안정적으로 만들려면 일반적으로 대역폭을 제한해야 합니다. 그러나 시스템 대역폭을 줄이면 응답 시간이 증가하고 시스템이 입력의 빠른 변경에 응답하지 못할 수 있습니다. 개방 루프 구성은 일반적으로 더 빠른 응답 시간을 나타낼 것으로 예상됩니다.

홀 센서의 오프셋은 폐쇄 루프 및 개방 루프 구성 모두에서 오류에 기여할 수 있습니다. 고품질 인듐 안티몬화물(InSb) 홀 소자의 오프셋은 일반적으로 ±7 mV입니다.