Датчик постійного струму на основі високочутливого магніторезистора

Винахід відноситься до електротехніки в колах постійного струму. Відомі датчики постійного струму виконані на основі омічних шунтів, магнітних підсилювачів та ефекта Хола [1-3]. Найбільш близьким прототипом до нашого винаходу є датчик стр уму (ДС), виконаний на основі ефекта Хола (ДСЕХ) [3]. Основою ДСЕХ є магніточутливий елемент (MЧE) (виготовлений з напівпровідникої пластини) [1]. ДСЕХ складається з пермалоєвого кільцевого магнітопроводу, в зазорі якого розташовано МЧЕ. Магнітопровід охоплює токопровід (шину) з вимірюваним струмом. ДСЕХ має недоліки, серед яких те, що один МЧЕ у зазорі магнітопроводу не дозволяє розширити межу вимірюваних стр умів. Використання ж гібридних інтегральних схем (ГІС) на основі ЕХ знижує термічну стійкість МЧЕ [2], нижня межа робочих температур якого складає -50°С. Крім того, МЧЕ з ГІС має відносно великі габаритні розміри і трудомісткість, більшу собівартість і ціну. В основу винаходу покладено задачу створення гальванічно розв'язаних датчиків постійного струму (ДПС), в яких магніточутливим елементом є високочутливий магніторезистор (BMP) [4]. Поставлена задача вирішується шляхом використання, в якості магніточутливого елемента - ВМР замість датчика Хола (ДХ), що і є основною відмінністю від прототипа [3]. Датчик постійного струму (ДПС) з ВМР, який схематично показано на фігурі, складається з кільцевого магнітопроводу-1, у зазорі якого розташовується ВМР-2 з обмоткою збудження (ОЗ) 3, що підключається до джерела змінного струму частотою до десятків кілогерців. ВМР, виготовлений з високопроникливих марганець-цинкових феритових матеріалів у вигляді кільця з нанесеними на протилежні його боки контактними площадками, розташовують у центрі зазору магнітопроводу і з'єдн ують з електронним підсилювачем. Принцип роботи ДПС з ВМР полягає в залежності індукції в феритовому кільці ВМР, створеної змінним струмом обмотки збудження, від постійного магнітного поля в зазорі магнітопроводу. Величина індукції визначає значення магніторезистивного ефекту (МРЕ) ВМР. ДПС з ВМР працює таким чином. При проходженні постійного струму І1 по токопроводу, довкола нього утворюється постійне магнітне поле напруженістю Н 1, що перетинає кільцевий магнітопровід 1, у якому виникає магнітний потік Ф з індукцією B 2 = m × H1 , де m - магнітна проникність матеріалу магнітопроводу 1. Потік Ф у 2 2 зазорі магнітопроводу перетинає кільце ВМР і його намагнічує. Це викликає перебудову доменної структури марганець-цинкового фериту ВМР і зменшення в ньому змінної магнітної індукції (МРЕ в кільцевому ВМР індукується змінним магнітним полем ОЗ напруженістю в кілька десятків А/м частотою до десятків кГц). У результаті магнітна проникність, а, отже, і магнітна індукція, викликана змінним магнітним полем, зменшується зі збільшенням постійного магнітного поля Н 1. Це приводить до зменшення МРЕ кільцевого ВМР, індукованого змінним полем ОЗ. При досягненні насичення доменна структура фериту зникає, магнітна проникність приймає мінімальне значення, а індукція у ВМР стає приблизно рівною індукуючому змінному магнітному полю, модуль якого не перевищує десятків А/м [4]. МРЕ у полі такої величини практично дорівнює нулю. МРЕ лінійно зменшується зі збільшенням постійного магнітного поля, а, отже, і постійного вимірюваного струму, від максимальної величини R0-RH/H×R0×100% до нуля (де, R0 - електричний опір BMP без зовнішнього магнітного поля; Ом; RH - електричний опір у зовнішньому магнітному полі, Ом, Н - напруженість постійного поля в зазорі магнітопроводу А/м). Динамічний діапазон ДПС з ВМР не менше 55 децибелів. Межа вимірюваного струму залежить від величини зазору в кільцевому магнітопроводі, і може змінюватися від десятих часток до тисяч амперів. ВМР має високу чутливість, діапазон його робочих температур складає -60¸ +60°С. Собівартість і трудомісткість у його виконанні в кілька разів менше, ніж у датчиків Холу. Він мініатюрний, має габаритні розміри порядку 3´1.5´2мм. Висока чутливість, широкий діапазон вимірюваних струмів, відсутність рухливи х електричних контактів забезпечують широку галузь застосування пропонуємих датчиків постійного струму з високочутливим магніторезистором, і мають високу надійність і практично необмежений термін служби.