Датчики тока: от простого шунта до оптоволокна. Чем они отличаются

21 октября издание Hackaday обратило внимание на видеоролик ElectrArc240, посвященный принципам работы датчиков тока. Автор показывает конструкции измерительных элементов, объясняет физические принципы и разбирает ограничения разных технологий.

Самый доступный способ измерения тока основан на использовании шунта. Это резистор с небольшим, заранее известным сопротивлением, который включается последовательно с нагрузкой. Измерив падение напряжения на нем, можно рассчитать ток по закону Ома.

Подобная схема применяется в источниках питания, системах управления аккумуляторами и компьютерной электронике. Например, видеокарты используют измерение тока для контроля энергопотребления графического процессора.

У шунта есть недостаток: он сам потребляет электрическую энергию и нагревается. Потери определяются формулой P = I²R. Если ток увеличивается вдвое, при неизменном сопротивлении выделяемая мощность возрастает в четыре раза. Поэтому для больших токов приходится особенно внимательно выбирать сопротивление и допустимую мощность резистора.

Другой подход позволяет измерять ток по создаваемому им магнитному полю. В этом случае измерительная электроника может быть электрически изолирована от силовой цепи.

Один из распространенных вариантов основан на эффекте Холла. Такие датчики работают с переменным и постоянным током, позволяют определять его направление и используются, например, в электродвигателях, инверторах и измерительных клещах.

Однако точность датчиков Холла зависит от конструкции, температурной стабильности и внешних магнитных полей. В более сложных системах применяют компенсационные схемы, которые повышают точность измерений.

Для переменного тока существует еще один распространенный вариант: измерительный трансформатор. Проводник проходит через магнитопровод и фактически выполняет роль первичной обмотки. Во вторичной обмотке возникает ток, связанный с током в измеряемой цепи.

У трансформаторного датчика есть принципиальное ограничение. Обычный трансформатор тока не способен измерять установившийся постоянный ток, поскольку для его работы необходимо изменяющееся магнитное поле.

Для измерения переменных токов большой величины применяются также катушки Роговского. Они не имеют ферромагнитного сердечника, поэтому не сталкиваются с его магнитным насыщением. Однако выходной сигнал требует дополнительной обработки, а постоянный ток такая катушка не измеряет.

В ролике рассматриваются и более сложные технологии, включая магниторезистивные датчики TMR и феррозондовые датчики Fluxgate. Первые используют изменение электрического сопротивления под действием магнитного поля. Вторые определяют поле с помощью специального магнитного сердечника и схемы возбуждения.

Отдельный интерес представляют оптоволоконные датчики. Они используют влияние магнитного поля на распространение света. В частности, эффект Фарадея позволяет определять ток по изменению поляризации светового излучения. Подобный подход применяется там, где необходима электрическая изоляция измерительной системы и работа с очень большими токами.

Сравнивать эти технологии только по точности было бы неправильно. Например, обычный шунт может обеспечить хорошие результаты при небольших затратах, однако требует подключения к силовой цепи. Трансформатор позволяет измерять переменный ток с гальванической развязкой, но бесполезен для измерения постоянной составляющей. Датчик Холла способен работать с обоими типами тока, хотя его характеристики существенно зависят от конкретной модели.

В итоге выбор определяется условиями измерения: диапазоном токов, необходимой точностью, частотой сигнала, требованиями к изоляции и допустимыми потерями энергии. Для большинства низковольтных устройств достаточно шунта или датчика Холла. Более сложные решения нужны там, где обычные методы не обеспечивают требуемых характеристик.