Panduan Ahli Sensor Arus Hall Effect: Konfigurasi Open-Loop & Closed-Loop

Pelajari dasar-dasar sensor arus Hall effect dalam artikel teknis ini.

Sensor arus banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Teknik umum adalah pengukuran arus resistif di mana penurunan tegangan di seluruh resistor shunt diukur untuk menentukan arus yang tidak diketahui. Solusi berbasis resistor shunt tidak menyediakan isolasi galvanik dan tidak hemat daya, terutama saat mengukur arus besar.

Teknik lain yang banyak digunakan didasarkan pada efek Hall. Sensor arus efek Hall menyediakan tingkat keamanan yang lebih tinggi karena isolasi galvanik antara sensor dan arus yang akan diukur. Ini juga menghindari dissipasi daya besar dari resistor shunt yang digunakan dalam metode pengukuran arus resistif.

Dalam artikel ini, kami akan melihat dasar-dasar sensor arus efek Hall.

 

Open-Loop Current Sensing

Struktur sensor arus efek Hall berbasis open-loop ditunjukkan dalam Gambar 1.

 

Gambar 1. Gambar dengan izin Dewesoft

 

Arus yang akan diukur mengalir melalui konduktor yang berada di dalam inti magnetik. Dengan cara ini, arus menciptakan medan magnetik di dalam inti. Medan ini diukur oleh sensor efek Hall yang ditempatkan di celah udara inti.

Output sensor Hall adalah tegangan yang proporsional terhadap medan magnetik inti yang juga proporsional terhadap arus input. Sinyal yang dihasilkan oleh perangkat Hall biasanya diproses oleh sirkuit kondisi sinyal. Sirkuit kondisi sinyal dapat berupa tahap amplifikasi sederhana atau sirkuit yang lebih rumit yang dirancang untuk menghapus kesalahan drift perangkat Hall, dll. 

 

Mengapa Kita Membutuhkan Inti Magnetik?

Asumsikan tidak ada inti magnetik. Medan magnetik pada jarak r dari konduktor lurus tak terbatas yang membawa arus listrik I diberikan oleh:

 

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

 

di mana \(\mu_0\) adalah permeabilitas ruang bebas. Untuk I=1 A, r=1 cm, kita mendapatkan:

 

\[B = 2 \times 10^{-5}~Tesla = 0.2~Gauss\]

 

Untuk memiliki gambaran tentang seberapa kecil medan magnetik ini, perhatikan bahwa medan magnetik bumi sekitar 0.5 Gauss. Oleh karena itu, sangat sulit untuk mengukur arus 1 A dengan merasakan medan magnetik yang dihasilkannya di ruang bebas. Untuk mengatasi masalah ini, kita dapat menggunakan inti magnetik untuk membatasi dan memandu medan magnetik yang dihasilkan oleh arus. Inti menawarkan jalur permeabilitas tinggi untuk medan magnetik dan bertindak sebagai konsentrator medan. Medan magnetik di dalam inti dapat ratusan atau ribuan kali lebih besar dari yang dapat dihasilkan oleh arus tertentu di ruang bebas. 

 

Celah Udara

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, inti magnetik dirancang dengan celah udara di mana sensor Hall ditempatkan. Celah udara dapat menyebabkan fenomena fringing flux di mana beberapa garis flux menyimpang dari jalur lurus mereka dan oleh karena itu, tidak melewati sensor seperti yang diharapkan. Efek fringing ini ditunjukkan dalam Gambar 2.

 

Gambar 2. Gambar dengan izin R. Jez

 

Karena efek fringing, kepadatan flux magnetik yang dirasakan oleh perangkat Hall dapat lebih kecil dari kepadatan flux magnetik di dalam inti. Dengan kata lain, celah udara dapat mengurangi efektivitas inti dalam mengubah arus primer menjadi medan magnetik yang kuat. Namun, jika panjang celah kecil dibandingkan luas penampang celah, efek fringing dapat relatif kecil. 

Kita memerlukan celah udara untuk dapat mengukur medan magnetik di dalam inti. Selain itu, celah udara memungkinkan kita untuk memodifikasi reluctansi keseluruhan inti. Perhatikan bahwa arus tinggi dapat menciptakan medan magnetik besar di dalam inti dan memenuhinya. Ini dapat membatasi arus maksimum yang dapat diukur. Menyesuaikan panjang celah udara, kita dapat mengubah tingkat pemenuhan inti. Gambar 3 menunjukkan bagaimana kepadatan flux magnetik yang dirasakan berubah dengan panjang celah udara untuk inti tertentu.

 

Gambar 3. Gambar dengan izin Allegro

 

Dengan celah udara yang lebih kecil, kita dapat mencapai gain magnetik yang lebih besar (gain gauss-per-ampere). Namun, celah udara yang lebih kecil dapat membuat inti memenuhi pada arus yang relatif lebih kecil. Oleh karena itu, panjang celah secara langsung mempengaruhi arus maksimum yang dapat diukur. Selain panjang celah, ada faktor lain, seperti bahan inti, dimensi inti, dan geometri inti, yang menentukan efisiensi inti magnetik. Untuk informasi lebih lanjut tentang inti yang cocok untuk aplikasi arus tinggi (>200 A), silakan rujuk ke application note ini dari Allegro.

 

Keterbatasan Open-Loop Current Sensing

Dengan konfigurasi open-loop, efek non-ideal, seperti kesalahan linearitas dan gain, dapat mempengaruhi akurasi pengukuran. Misalnya, jika sensitivitas sensor berubah dengan suhu, kesalahan yang bergantung pada suhu akan muncul di output. Selain itu, dengan open-loop current sensing, inti tunduk pada pemenuhan. Selain itu, offset sensor Hall serta coercivity inti dapat berkontribusi pada kesalahan. 

 

Closed-Loop Current Sensing

Teknik closed-loop Hall effect current sensing diilustrasikan dalam Gambar 4.

 

Gambar 4. Gambar dengan izin Cheemi-Tech

 

Seperti yang namanya menunjukkan, teknik ini didasarkan pada konsep umpan balik negatif. Dalam hal ini, ada gulungan sekunder yang dijalankan oleh output jalur umpan balik. Jalur umpan balik merasakan medan magnetik di dalam inti dan menyesuaikan arus melalui gulungan sekunder sehingga total medan magnetik inti menjadi nol. Mari kita lihat bagaimana sirkuit ini bekerja. 

Arus yang akan diukur mengalir melalui konduktor primer dan menciptakan medan magnetik di dalam inti. Medan ini dirasakan oleh sensor efek Hall yang ditempatkan di celah udara inti. Output sensor Hall, yang merupakan tegangan yang proporsional terhadap medan magnetik inti, diferasikan dan diubah menjadi sinyal arus yang melewati gulungan sekunder. Sistem dirancang sedemikian rupa sehingga arus yang melewati gulungan sekunder menghasilkan medan magnetik yang menentang medan magnetik arus primer. Dengan total medan magnetik sama dengan nol, kita harus memiliki:

 

\[N_pI_p = N_sI_s\]

 

di mana N_p dan N_s masing-masing adalah jumlah lilitan gulungan primer dan sekunder; dan I_p dan I_s adalah arus primer dan sekunder. Dalam Gambar 4, kita memiliki N_p = 1 dan \[V_{out} = R_m \times I_s\]. Oleh karena itu, kita mendapatkan:

 

\[V_{out} = R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

 

Ini memberi kita tegangan yang proporsional terhadap arus primer. Perhatikan bahwa faktor proporsionality, \[R_m \times \frac{1}{N_s}\], adalah fungsi dari jumlah lilitan dan nilai resistor shunt. Jumlah lilitan adalah nilai konstan dan resistor juga sangat linier.

 

Open-Loop Versus Closed-Loop Current Sensing

Umpan balik negatif yang digunakan dalam arsitektur closed-loop memungkinkan kita untuk mengurangi efek non-ideal seperti kesalahan linearitas dan gain. Itulah sebabnya, berbeda dengan konfigurasi open-loop, arsitektur closed-loop tidak terpengaruh oleh drift sensitivitas sensor. Oleh karena itu, konfigurasi closed-loop menawarkan akurasi yang lebih tinggi. Sensor arus closed-loop lebih tangguh terhadap pemenuhan inti karena kepadatan flux magnetik di dalam inti sangat kecil.  

Dengan closed-loop sensing, gulungan sekunder secara aktif dijalankan oleh amplifier daya tinggi. Komponen tambahan yang digunakan dalam arsitektur closed-loop menghasilkan luas PCB yang lebih besar, konsumsi daya yang lebih tinggi, serta harga yang lebih tinggi. 

Masalah stabilitas adalah kerugian lain dari sensor arus closed-loop. Dengan konfigurasi closed-loop, kita perlu menurunkan fungsi transfer sistem dan memastikan sistem stabil. Sistem yang tidak stabil dapat menunjukkan overshoot atau ringing sebagai respons terhadap perubahan cepat dalam arus input. Untuk membuat sistem closed-loop stabil, kita biasanya perlu membatasi bandwidthnya. Namun, mengurangi bandwidth sistem dapat meningkatkan waktu respons dan membuat sistem tidak dapat merespons perubahan cepat dalam input. Konfigurasi open-loop biasanya diharapkan menunjukkan waktu respons yang lebih cepat.

Perhatikan bahwa offset sensor Hall dapat berkontribusi pada kesalahan baik dalam konfigurasi closed-loop maupun open-loop. Offset elemen Hall indium antimonide (InSb) berkualitas biasanya ±7 mV.

 

Solusi Terpadu Modern

Penting untuk disebutkan bahwa sensor arus berbasis efek Hall modern menggunakan teknik inovatif untuk mengatasi beberapa keterbatasan di atas. Misalnya, DRV411 dari TI adalah IC kondisi sinyal yang dirancang untuk aplikasi closed-loop current sensing yang menggunakan teknik current spinning untuk menghapus kesalahan offset dan drift elemen Hall. Teknik ini diilustrasikan dalam Gambar 5.

 

Gambar 5. Teknik current spinning yang digunakan dalam DRV411. Gambar dengan izin Texas Instruments

 

Contoh lain adalah ACS720 [PDF download link] dari Allegro yang dirancang untuk aplikasi open-loop current sensing. ACS720 menggunakan algoritma kompensasi suhu on-chip untuk mengoptimalkan akurasi seiring suhu.

 

Gambar 6. Diagram blok ACS720. Gambar dengan izin Allegro Microsystems [PDF download link]

Untuk melihat daftar lengkap artikel saya, kunjungi halaman ini.