מדידת זרם ישר באמצעות אפקט הול

בס"ד , ‏יום חמישי 09 פברואר 2023

הקדמה

יישום מוגבר של צרכני אנרגיה מצריך אותנו למדידה מדויקת של מקורות זרם ישר כדוגמת

1. ממירי תדר.
2. מיישרים.
3. ספקי כוח.
4. רכבים חשמליים.
5. קטרים חשמליים.
6. פאנלים סולאריים.
7. ועוד שלל יישומים שונים ומשונים.

מדידת זרם יכולה להיעשות על ידי העברת הזרם דרך נגד בשם "נגד מייצד" (כתבתי על זה במאמר נפרד) ומדידת זרם גבוה היא אחת החשובות תהליך הניטור והבקרה של הספק והמערכת בכלל.
מדידת זרם ישר קונבנציונלית נעשית בדרך כלל באמצעות נגד מייצד (shunt) שיטה זו יכולה לשמש למדידת זרם ישר וחילופין כאחד. החיסרון הגדול של שיטת המדידה באמצעות נגד המייצד היא איבוד ההספק המתפתח על הנגד וכתוצאה מכך פיזור החום הנוצר בשל הזרם הגבוה על גבי נגד המייצד לאורך זמן. בנוסף גודלו ומשקלו של הנגד הם פרופורציונליים לזרם הנמדד, ככל שנדרש למדוד זרם גדול יותר יש צורך בנגד גדול יותר פיזית (ולא אומית) היכול לשאת את הזרם הגדול העובר דרכו.
בשל בעיה זו פותח חיישן מיוחד המתבסס על חוק אמפר שבו מוליך הנושא זרם יוצר שדה מגנטי סביבו , בעת שינוי של השדה המגנטי דרכו החיישן משנה את מתח המוצא ביחס פרופורציונלי לשדה המגנטי חיישן זה נקרא " חיישן אפקט הול " לחיישן זה למעשה מספר יתרונות והם :

1. המדידה נעשית מדויקת יותר מכיוון שאין מגע עם חוט מוליך זרם.
2. שיטה זו יכולה לשמש למדידת זרם ישר וזרם חילופין.
3. ניתן למדוד זרם גבוה עם מכשיר בגודל קטן.
4. מערכת זולה באופן יחסי.
5. אין איבודי אנרגיה בשל המדידה אלא רק על מתח העבודה של מכשיר המדידה.

תמונה מספר 1 : חיישן אפקט הול למדידת זרם (נראה כמו משנה זרם אך זהו אינו משנה זרם)

מהו אפקט הול

האפקט הול קרוי על שם הפיזיקאי האמריקאי אדווין הול שגילה אותו בשנת 1879.
התופעה אשר התגלתה על ידי אדווין הול היא שכאשר שדה מגנטי מופעל בזווית ישרה לזרימת הזרם בסרט דק שבו נוצר שדה חשמלי המאונך לזרם ולשדה המגנטי ואשר עומד ביחס ישר למכפלת הזרם.
כאשר זורם זרם דרך מוליך נושאי המטען ילכו בנתיב ליניארי מקצה אחד של המוליך לקצה השני. תנועת נושאי המטען גורמת לשדות מגנטיים,
וכאשר מניחים מגנט ליד המוליך, השדה המגנטי של נושאי המטען מתעוות זה מפריע לזרימה הישרה של נושאי המטען, הכוח המפריע לכיוון הזרימה של נושאי מטען ידוע ככוח לורנץ.
עקב העיוות בשדה המגנטי שלנושאי המטען, חלקיקים הטעונים שלילי יוסטו לצד אחד של הלוח וחורים בעלי מטען חיובי לצד השני. הפרש פוטנציאל, המכונה מתח הול, ייווצר בין שני צידי הצלחת שניתן למדוד באמצעות מד מתח.
מתח ההול המיוצג כ-VH ניתן על ידי הנוסחה

VH= (I*B)/(q*n*d)

I – הזרם העובר דרך חיישן הול

B – עוצמת השדה המגנטי

q – המטען

n – הוא מספר נושאי המטען ליחידת נפח

d – עובי החיישן

עיקרון המדידה על ידי אפקט הול

כאשר השטף המגנטי Φ המופק בתוך הליבה המגנטית על ידי הזרם הזורם במוליך הנמדד (הצד הראשוני של המעגל) עובר דרך אלמנט ההול שהוכנס לתוך הפער בליבה המגנטית, אפקט הול מביא למתח פרופורציונלי לשטף המגנטי, מכיוון שמתח זה קטן באופן ייחסי , יש להגביר אותו כדי להפיק את אות המוצאה הניתן לעיבוד, לאחר ההגברה יתקבל אות מתח יחסי לאות הזרם.

למדידת זרם באמצעות אפקט הול שתי תצורות בסיסיות והן.

1. לולאה פתוחה.
2. לולאה סגורה.

שני השיטות משתמשות בליבה מגנטית עם מרווח אוויר, שבו מוכנס חיישן אפקט הול, מוליך הזרם הנמדד עובר דרך הליבה המגנטית. השטף המגנטי שנוצר על ידי הזרם הראשוני מרוכז בליבה, שהיא פרופורציונלית לזרם.

1. לולאה פתוחה

עם תצורת לולאה פתוחה פלט המתח של חיישן הול פשוט מוגבר, הפלט הוא מתח המייצג את הזרם הנמדד בפרופורציה.
חיישני לולאה פתוחה עולים פחות מחיישני לולאה סגורה ובשל הפשטות שלהם ניתן ליצור אותם עם ליבה מפוצלת.
בשל העובדה שצריכת האנרגיה נמוכה נשתמש בלולאה פתוחה באפליקציות המופעלות על ידי סוללות.
חשוב לספר כי לשיטה יש חסרונות כמו הליבה נתונה לרוויה, יתר על כן, מיקומו של חיישן במרחב יכול לתרום לשגיאת מדידה.

תמונה מספר 2 : חיישן אפקט הול למדידת זרם בעל לולאה פתוחה

2. לולאה סגורה

בטופולוגיה של לולאה סגורה סליל משני מלופף סביב הליבה המגנטית, השדה המגנטי המרוכז בליבה מורגש על ידי חיישן הול, מתח ההול מחובר למגבר אינטגרלי כדי ליצור זרם להנעת הסליל, הזרם דרך הסליל מייצר שדה מגנטי הפוך כך השטף המגנטי בליבה מונע לשאוף לאפס.
הסליל מתחבר למוצא החיישן לכן הפלט הוא זרם, השווה לזרם הראשוני חלקי מספר הליפופים על הסליל.

תמונה מספר 3 : חיישן אפקט הול למדידת זרם בעל לולאה סגורה

לולאה פתוחה לעומת סגורה

המשוב השלילי המופעל בתצורת לולאה סגורה מאפשר לנו להפחית את ההשפעות הלא אידיאליות כגון ליניאריות מיקום החיישן טמפרטורה סביבתית ועוד זו הסיבה שלא כמו תצורת לולאה פתוחה, ארכיטקטורת לולאה סגורה אינה מושפעת משינויי טמפרטורה או בשינוים חיצוניים המשפיעים על רגישות החיישן, לפיכך, תצורת לולאה סגורה מציעה דיוק גבוה יותר.

חיישן זרם בלולאה סגורה עמיד יותר לרווית הליבה מכיוון שצפיפות השטף המגנטי בתוך הליבה קטנה מאוד.

עם חישה בלולאה סגורה, הסליל המשני מונע באופן פעיל על ידי מגבר בעל הספק גבוה. הרכיבים הנוספים המופעלים בארכיטקטורת לולאה סגורה מובילים לגודל של חיישן גדול יותר בלולאה סגורה לעומת לולאה פתוחה לצריכת חשמל גבוהה יותר וכן למחיר גבוה יותר.

את המערכת הסגורה נדרש לייצב ואנו בדרך כלל נגביל את רוחב הפס שלה.

עם זאת, הקטנת רוחב הפס של המערכת תגדיל את זמן התגובה ובכך לגרום למערכת לא להגיב לשינויים מהירים בזרם, לעומת זאת תצורת לולאה פתוחה צפויה בדרך כלל להציג זמן תגובה מהיר יותר.

חיישן הול יכול לתרום לשגיאות הן בתצורות לולאה סגורה והן בתצורות לולאה פתוחה בדרך כלל ±7 mV

בהצלחה.