Thiết kế thử nghiệm mạch đo dòng điện không tiếp xúc trên cơ sở sử dụng cảm biến Hall

Nội dung của bài viết này trình bày về thiết kế một mạch đo dòng điện một chiều và xoay chiều. Hệ đo gồm có các mô đun khuếch đại và mô đun vi điều khiển có phần mạch hiển thị. Trong mạch có sử dụng lõi từ và được cắt một khe hở không khí với chiều dài khe hở 2mm để gắn cảm biến Hall. Dòng điện cần đo sẽ có tỷ lệ với điện áp đầu ra của cảm biến Hall, từ đó ta sẽ tính toán được dòng cần đo.

ISSN 2354-0575 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN KHÔNG TIẾP XÚC TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG CẢM BIẾN HALL Trần Văn Tuấn2, Nguyễn Ngọc Minh1, Hoàng Sĩ Hồng2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận: 12/4/2016 Ngày sửa chữa: 10/6/2016 Ngày xét duyệt: 23/6/2016 Tóm tắt: Nội dung báo trình bày thiết kế mạch đo dòng điện chiều xoay chiều Hệ đo gồm có mơ đun khuếch đại mơ đun vi điều khiển có phần mạch hiển thị Trong mạch có sử dụng lõi từ cắt khe hở khơng khí với chiều dài khe hở 2mm để gắn cảm biến Hall Dòng điện cần đo có tỷ lệ với điện áp đầu cảm biến Hall, từ ta tính tốn dịng cần đo Trong q trình nghiên cứu, thiết bị chế tạo thành công có kết thực nghiệm Q trình thực nghiệm đo cho thấy quan hệ dòng cần đo 0-5A xoay chiều 0-15A dòng chiều điện áp đầu cảm biến Hall tuyến tính Từ khóa: Cảm biến Hall, lõi từ Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa B Np T vòng từ trường lõi từ số vòng dây quấn lõi từ Ip A dòng điện cần đo Lm M chiều dài lõi từ Lg M khoảng cách khe hở hệ số thẩm từ lõi từ ni Ic G A dòng cấp cho cảm biến Hall hệ số khuếch đại Chữ viết tắt AC Alternative current DC Direction current Phần mở đầu Điện nguồn lượng thiết yếu cuốc sống Hầu hết dụng cụ, máy móc nhiều trang thiết bị phục vụ cho sinh hoạt người sử dụng lượng điện Trong q trình hoạt động thiết bị xảy cố điện, không xử lý kịp thời gây hậu nghiêm trọng đến sản xuất, sinh hoạt đặc biệt đến người Để thuận tiện cho việc vận hành, theo dõi trình làm việc thiết bị, cần thường xun kiểm tra thơng số dịng điện thiết bị, để tránh tượng dòng, ngắn mạch cho thiết bị Vì vậy, cần phải có thiết bị đo dịng điện để kiểm sốt phát kịp thời cố điện có biện pháp xử lý thích hợp 50 để tránh ảnh hưởng khơng mong muốn xảy Trên thực tế, có nhiều thiết bị đo dịng điện phương pháp khác Phương pháp tương tự như: sử dụng ampemet từ điện, điện từ biến dòng để đo dòng điện [1] Phương pháp số như: sử dụng số IC chuyên dụng ADE7753 ACS712 kết hợp với biến dịng Nhìn chung, phương pháp cho kết đo với độ xác cao số phương pháp ứng dụng rộng rãi công nghiệp Nhưng hầu hết phương pháp phải tác động trực tiếp vào dây dẫn Gần xu sử dụng số phương pháp đo dịng gián tiếp khơng cần tác động trực tiếp lên dây dẫn Trong báo, chúng tơi giới thiệu phương pháp đo dịng điện gián tiếp sử dụng cảm biến Hall A3515, kết đo thu tương đối xác Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp ứng dụng thử nghiệm đo dòng điện chiều xoay chiều để đánh giá có kết khả quan, cho thấy phương pháp đo đáp ứng tiêu chí cho tốn đo dịng điện với độ tin cậy, độ xác cao, thiết kế đơn giản chi phí thấp Nội dung 2.1 Cơ sở lí thuyết Khi có dịng điện chạy dây dẫn sinh từ trường xung quang dây dẫn Từ trường tính theo dịng điện, kích thước lõi từ, hệ số thẩm từ [2][3] 4r 10 -7 n i NP I P (1) B= Lm + Lg n i Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Từ công thức cho thấy từ trường lõi từ cường độ dòng điện có mối quan hệ tuyến tính dùng lõi từ có kích thước lớn nhiên thiết bị cồng kềnh Để chế tạo thiết bị đo dòng sử dụng số IC khuếch đại INA128, LM358 sử dụng pic 16F877A tính tốn hiển thị kết đo hình LCD16x2 chế độ truyền bit liệu Mạch sử dụng ADC 10 bit bên pic 16F877A để chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự thành điện áp dạng số Trong đó: - Dịng điện cần đo - Lõi sắt từ - Cảm biến Hall - Nguồn dịng - Khuếch đại đo lường Hình Hoạt động cảm biến Khi từ trường sinh tác dụng lên cảm biến Hall làm điện áp đầu cảm biến Hall thay đổi [3]: VHall = Ic # B (2) Thường điện áp đầu cảm biến hall thay đổi nhỏ nên điện áp cho qua khuếch đại ta tính điện áp đầu ra: Vout = VHall.G (3) Từ ta dễ dàng tính dịng điện IP cần đo thơng qua điện áp Vout Hình Sơ đồ khối hệ đo Trong đó: Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn tới khối như: cảm biến Hall, khuếch đại vi sai, cộng tín hiệu, xử lý tín hiệu hiển thị để khối hoạt động ổn định tốt 2.2 Phương pháp chế tạo Trong thiết bị đo dịng điện có sử dụng lõi từ hình xuyến có khe hở khơng khí để gắn cảm biến Hall (Hình 2) Khi dịng điện cần đo tỉ lệ với cường độ từ trường sinh bên lõi từ Hình Lõi từ Lõi từ sử dụng có thơng số sau: chiều dài trung bình lõi từ Lm = 94mm, độ rộng khe hở khơng khí Lg = 2mm tiết điện 1cm2 Với kích thước lõi từ bị bão hòa dòng điện Ip vượt 20A Để đo dòng điện lớn ta cần Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Hình Sơ đồ khối nguồn ±9V, 5V Khổi cảm biến Hall: điện áp cảm biến Hall A3515 [4] thay đổi theo dòng điện cần đo Tuy nhiên, thay đổi nhỏ Journal of Science and Technology 51 ISSN 2354-0575 Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 16F877A có nhiệm vụ tính tốn, xử lý kết đo giao tiếp với LCD Hình Cảm biến hall A3515 Chân 1(Vcc): chân cấp điện áp cho cảm biến Hall Chân (GND): chân nguồn chung Chân (OUTPUT): chân điện áp đầu cảm biến Hall Khối cộng tín hiệu: nhằm nâng tín hiệu AC nhỏ khơng trước cho vào khối ADC khối ADC tích hợp sẵn vi điều khiển đặt tham chiếu để lấy mẫu tín hiệu dương Với giới hạn đo 5A xoay chiều làm cảm biến trả hiệu điện -2.5V dòng -5A, mạch cộng thực cộng 2.5V tín hiệu đầu vào nhằm nâng tồn tín hiệu lên phần dương Hình Khối xử lý trung tâm sử dụng PIC16F877A Khối hiển thị: kết đo hiển thị LCD 16x2 Hình Mạch đo thực tế Hình Mạch cộng dùng LM358 Khối khuếch đại đo lường sử dụng INA128, khuếch đại vi sai có hệ số khuếch đại 10 Hình Mạch khuếch đại đo lường INA 128 Khối ADC 10 bit tích hợp sẵn vi điều khiển nhiệm vụ chuyển hóa tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 52 2.3 Phương pháp tính tốn Với dịng chiều tín hiệu điện từ cảm biến Hall lấy mẫu N = 100 lần sau lấy trung bình Phương pháp (moving average filter) [5] có tác dụng giảm bớt nhiễu trắng bao sai số trình lấy mẫu ADC (quantization error) gây N-1 y i A = N / j = x 7i + jA (4) Trong y[i] giá trị đưa để hiển thi, x[i] giá trị lần lấy mẫu Để giảm khối lượng tính tốn, tiết kiệm nhớ cho vi điều khiển công thức (2) biến đổi bên y[i] = y[i-1] + x[i+p] - x[i-p] (5) Với: p = (N - 1)/2 q=p+1 Với dòng xoay chiều q trình tính tốn phức tạp so với dòng chiều ảnh hưởng tải dịng Đối với tải có sử dụng chỉnh lưu chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu nửa chu kì dịng điện có hình dạng khác Trong nghiên cứu dịng điện tính tốn phương pháp trung bình bình phương [5] xrms = N _ x12 + x22 + + x n2 i (6) Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết thu lọc phương pháp dịch tổng trung bình (moving average filter) [5] phương pháp cho kết tốt tốn dung lượng nhớ vi điều khiển hoàn toàn phù hợp với thiết bị 2.4 Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Khởi tạo LCD, ADC RMS=0, RMS1=0, RMS2=0, U=0, I=0 RB4=1 N Giá trị hiệu dụng tín hiệu sau trích mẫu xác định cơng thức N VRMS = N # / V2 (i) (7) i=1 Kết thảo luận Sau hiệu chỉnh với thiết bị đo dòng HP3458 viện đo lường quốc gia Kết đo so sánh với thiết bị DMM4020 Tektronix phịng thí nghiệm đo lường Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 3.1 Đo dòng xoay chiều Dịng xoay chiều đo nguồn ni 220V-50Hz tải khác Trong bảng sau tải đo tải trở nồi đun nước Y N=2000, i=0 RMS=Giá trị ADC-512 RMS1=RMS*5/1023 RMS2+=RMS1*RMS1 RMS=Giá trị ADC-512 U=RMS*5/1023 I=U/k i=i+1 Hình So sánh kết đo dòng xoay chiều Y i