БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА
CONTACTLESS CURRENT METRE

Изобретение относится к области сенсорной техники, а более конкретно к бесконтактным измерителям тока, и может быть использовано в электронике, электротехнике, системах контроля и управления, автоматике и робототехнике.
Известно, что измерения тока бесконтактным способом сводятся к измерению индукции магнитного поля, наводимого этим током. В тех случая, когда сила тока, протекающего по проводнику, достаточно мала (менее нескольких десятков мА), бесконтактные измерители электрического тока в своей конструкции с неизбежностью содержат помимо элемента, измеряющего магнитное поле, концентратор магнитного поля (Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника, изд. ДМК, М.2001, т.1, c.541). Наиболее распространенным типом элемента, служащим для измерения магнитного поля проводника с током является датчик Холла. Концентратор магнитного поля изготавливается из ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, ферриты и др.) и имеет форму тороида с воздушным зазором, в который помещается элемент, измеряющий магнитное поле. Основным недостатком подобных бесконтактных измерителей электрического тока являются большие массогабаритные размеры.
Этот недостаток преодолен в наиболее близком к данному изобретению и выбранном в качестве прототипа техническом решении (Popovich R.S. Hall Effect Devices. Second Edition. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 419 p.), в котором используются специальные детали (магнитопроводы), изготовленные из ферромагнетиков, типа ферритов, которые закрепляют на крышке корпуса, в котором находится датчик Холла, таким образом, чтобы один край магнитопровода перекрывал поверхность токовой шины, а другой край находился над поверхностью датчика Холла.
Недостатком такого технического решения является усложнение технологии изготовления бесконтактных измерителей тока и повышение их себестоимости.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение технологии изготовления бесконтактных измерителей тока при одновременном уменьшении себестоимости их изготовления, повышении эксплуатационной надежности, а также повышение рабочей температуры бесконтактного измерителя тока.
Поставленная задача достигается в конструкции бесконтактного измерителя тока, содержащего изготовленный из полупроводника первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, на основе эффекта Холла, имеющий, по крайней мере, одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник и токопроводящую шину с контактными площадками на концах, новизна которого заключается в том, что токопроводящая шина сформирована в одном полупроводниковом чипе с первичным преобразователем магнитного поля в виде плоской металлической ленты и изолирована диэлектрической пленкой от полупроводника и окружающей среды, а затвор системы металл-диэлектрик-полупроводник изготовлен из металла с высокой магнитной проницаемостью, обладающего ферромагнитными свойствами, и имеет форму прямоугольника, один конец которого расположен над центральной частью преобразователя магнитного поля, а другой расположен над покрытой диэлектрической пленкой поверхностью токопроводящей шины и перекрывает ее.
В качестве первичного преобразователя магнитного поля в изобретении может быть использован полевой датчик Холла (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37), изготавливаемый на основе структур «кремний на изоляторе», конструкция которого имеет две полевые системы типа металл-диэлектрик-полупроводник.
Предлагаемая конструкция бесконтактного измерителя тока позволяет упростить и удешевить технологию его изготовления по сравнению с прототипом за счет исключения операций изготовления магнитопроводов из феррита и прецизионного размещения их на крышке корпуса датчика Холла и повысить надежность, поскольку устойчивость к колебаниям температуры и вибрациям в изделии по изобретению с монолитной конструкцией в едином чипе выше, чем в изделии с навесными дополнительными деталями, а также повысить рабочую температуру бесконтактного измерителя тока, по крайней мере, на 150°С благодаря способности полевого датчика Холла функционировать при гораздо более высоких температурах, чем известные полупроводниковые датчики Холла. В частности, рабочая температура полевого датчика Холла превышает 300°С (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37).
Техническим результатом, достигаемым при решении указанной задачи, является создание бесконтактного измерителя электрического тока, в котором плоская токопроводящая шина формируется в том же чипе, в котором изготавливается первичный преобразователь магнитного поля, а хотя бы один из затворов первичного преобразователя магнитного поля одновременно является магнитопроводом.
На фиг.1 изображена конструкция бесконтактного измерителя тока по изобретению (а - вид сверху, б - поперечное сечение).
В таблице 1 приведены экспериментальные данные о величинах тока, протекающего через металлический проводник и выходного (холловского) сигнала первичного преобразователя магнитного поля, измеренных при комнатной температуре при помощи бесконтактного измерителя тока по предлагаемому изобретению.
В таблице 2 приведены экспериментальные данные о величинах тока, протекающего через металлический проводник, и выходного (холловского) сигнала первичного преобразователя магнитного поля, измеренных при температуре 225°С при помощи бесконтактного измерителя тока по предлагаемому изобретению.
Заявляемый бесконтактный измеритель тока содержит управляемый электрическим полем первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал 1, имеющий, по крайней мере, одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник, функционирующий на основе эффекта Холла, и плоскую токопроводящую шину 2, имеющую на своих концах контакты 3 и 4 для присоединения проводника 5, по которому протекает измеряемый ток, и отделенную от первичного преобразователя магнитного поля слоем диэлектрика 6. Затвор 7 системы металл-диэлектрик-полупроводник первичного преобразователя магнитного поля изготовлен из ферромагнитного металла с высокой магнитной проницаемостью (например, Fe, Co, Ni или сплав на их основе) и имеет форму прямоугольника, один конец которого расположен над центральной частью первичного преобразователя магнитного поля 1, а другой расположен над покрытой диэлектриком 6 поверхностью токопроводящей шины 2 и перекрывает эту токопроводящую шину 2.
Бесконтактный измеритель тока функционирует следующим образом. При подключении к контактам 3 и 4 металлического проводника 5 к источнику питания через токопроводящую шину 2 начинает течь электрический ток и возникает электромагнитное поле, магнитная составляющая которого воспринимается перекрывающим токопроводящую шину 2 затвором 7 первичного преобразователя магнитного поля 1, который благодаря тому, что он изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью одновременно является магнитопроводом. Силовые линии магнитного поля у конца затвора 7, расположенного над центральной частью первичного преобразователя магнитного поля 1, поворачиваются на 90° и оказываются перпендикулярными силовым линиям тока, протекающего через первичный преобразователь магнитного поля 1, что приводит к появлению выходного (холловского) сигнала первичного преобразователя магнитного поля 1, величина которого прямо пропорциональна величине магнитной индукции, созданной протекающим по токопроводящей шине 2 током, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна величине измеряемого тока, протекающего по проводнику 5. В процессе измерений выбор значений потенциала на электродах затворов первичного преобразователя магнитного поля определяет динамический диапазон значений измеряемого тока, который может изменяться в пределах от мА до нескольких десятков А.
Предварительно бесконтактный измеритель тока по изобретению был прокалиброван методом непосредственной оценки величины выходного (холловского) сигнала первичного преобразователя магнитного при нескольких значениях тока, протекающего через токопроводящую шину. Соответствующие измерения проводились при включении контактов токопроводящей шины в цепь металлического проводника с током. При этом сигнал с холловских электродов первичного преобразователя магнитного поля регистрировался с помощью мультиметра типа АРРА-207. Величина тока канала, протекающего по токопроводящей шине, регистрировалась путем включения другого мультиметра типа АРРА-207 в цепь металлического проводника с током. Полученные калибровочные значения приведены в таблице 1.
В дальнейшем были проведены измерения величины тока, протекающего через металлический проводник, с помощью заявляемого бесконтактного измерителя. При этом величина тока, протекающего через металлический проводник, рассчитывалась по калиброванным данным. Одновременно величина тока, протекающего через металлический проводник, регистрировалась и с помощью цифрового мультиметра типа АРРА-207. Соответствующие измерения показали 100% совпадение данных по величине тока, полученных с помощью бесконтактного измерителя тока по изобретению и измеренных с помощью мультиметра типа АРРА-207.
Из таблицы 1 видно, что бесконтактный измеритель тока по изобретению позволяет бесконтактно измерять ток, протекающий по проводнику в пределах от мА до десятков А.
В свою очередь из таблицы 2 видно, что бесконтактный измеритель тока работоспособен при температуре 250°С
Таким образом, заявляемый бесконтактный измеритель тока прост в технологии изготовления, т.к. в ней применяются только стандартные операции современного микроэлектронного производства и отсутствуют операции, связанные с изготовление и креплением концентратора магнитного поля. Кроме того он обладает повышенной эксплуатационной надежностью при колебаниях температур или вибрации за счет того, что в его конструкции отсутствует навесной концентратор магнитного поля.
Таблица 1.
Бесконтактный измеритель тока
Величина сигнала между холловскими электродами первичного преобразователя магнитного поля, мВ
Величина силы тока, протекающего через металлический проводник и токопроводящую шину, мА
0,0048
10
0,05
100
0,26
500
0,51
1000
5,09
10000
12,75
25000
Таблица 2.
Величина сигнала между холловскими электродами первичного преобразователя магнитного поля, мВ
Величина силы тока, протекающего через металлический проводник и токопроводящую шину, мА
0,011
100
0,052
500
0,103
1000
1,022
10000