Progetto di un misuratore di corrente elettrica basato sul sensore ad effetto Hall ACS712 – Parte 1

I circuiti integrati ad effetto Hall consentono l’adozione di tecniche di rilevamento della corrente "non intrusive" e un rilevamento sicuro e isolato di livelli di corrente elevati senza dissipare notevoli quantità di potenza (e il conseguente riscaldamento) rispetto ai metodi resistivi di rilevamento della corrente. Inoltre, il rilevamento della corrente ad effetto Hall garantisce l'isolamento elettrico del conduttore che trasporta la corrente, quindi un ambiente operativo sicuro sia per i circuiti che per gli operatori. In questo articolo presenteremo la prima parte di una serie di articoli di un progetto di un misuratore di corrente elettrica che realizzeremo utilizzando il sensore di corrente ad effetto Hall ACS712T e il microcontrollore ESP8266 12-E che programmeremo utilizzando l’editor di Arduino (IDE). Mediante la piattaforma ThingSpeak, questo progetto IoT ci consentirà di monitorare i consumi di elettricità da ogni parte del mondo.

Introduzione

Le crescenti applicazioni di rilevamento della corrente con i circuiti integrati sensori ad effetto Hall si espandono man mano che per i progettisti cresce la necessità di proteggere i sistemi, creare apparecchiature più affidabili e conciliare eventuali problemi di sicurezza. Le principali applicazioni dei circuiti integrati sensori ad effetto Hall economici per il rilevamento della corrente includono:

• Sbilanciamento della corrente
• Monitoraggio della corrente
• Sicurezza e protezione dell'operatore/utente
• Rilevamento di sovracorrente/protezione del sistema
• Diagnosi del sistema e rilevamento dei guasti
• Test e misurazioni

La scoperta dell'effetto Hall risale al 1879 grazie a Edwin Hall. Tuttavia, qualsiasi applicazione significativa di questa scoperta attendeva l'integrazione dei semiconduttori avvenuta per la prima volta alla fine degli anni '60. Successivamente, ulteriori progressi (in particolare quelli degli anni '90) si sono evoluti ulteriormente con un'integrazione più completamente funzionale, oltre a una serie in evoluzione di tipi di circuiti integrati di sensori Hall specifici per l'applicazione. Il progresso incessante dell'elettronica dei sensori magnetici continua a far proliferare una crescente domanda di circuiti ad effetto Hall a basso costo, affidabili e "senza contatto" per il rilevamento di movimento, direzione, posizione e misurazione/monitoraggio della corrente. I circuiti integrati sensori ad effetto Hall sono dispositivi eccezionali per progetti di rilevamento della corrente ad "anello aperto". Tuttavia, ci sono limiti alla gamma operativa, accuratezza e precisione, risposta in frequenza, ecc. Poiché molti potenziali utenti ignorano i vantaggi o le carenze delle tecniche di rilevamento della corrente che utilizzano circuiti integrati ad effetto Hall, prima di addentrarci nel progetto, tratteremo sinteticamente le tecniche di base essenziali del rilevamento non intrusivo della corrente con dispositivi ad effetto Hall.

La maggior parte dei sensori di rilevamento della corrente ad effetto Hall non sviluppano campi magnetici adeguati senza l'uso di un toroide per concentrare il campo di flusso indotto. Le correnti inferiori a 10/15 A richiedono l'avvolgimento con un numero di spire sul toroide sufficienti per indurre la forza del flusso magnetico utilizzabile e sviluppare una corrispondente tensione di segnale adeguata. Un livello di corrente più elevato, oltre 15 A, induce un’intensità di campo che consente di far passare il conduttore che trasporta la corrente direttamente attraverso il centro del toroide. I progetti che richiedono un range di corrente ampio (o continuo) richiedono l'utilizzo di circuiti integrati sensori ad effetto Hall lineari. Tuttavia, i progetti di protezione da sovracorrente e/o di rilevamento dei guasti possono essere gestiti da sensori ad effetto Hall digitali.

Sebbene esistano molti metodi di rilevamento della corrente, solo tre sono comuni nelle applicazioni a basso costo e volume. Gli altri sono costosi sistemi di laboratorio, tecnologie emergenti (il magnetoresistivo è un esempio) o usati raramente. Le tecniche di rilevamento della corrente comunemente utilizzate includono il metodo resistivo, ad effetto Hall e con trasformatori di corrente. La tecnica del rilevamento resistivo è ampiamente utilizzata, è a basso costo e gestita con poca difficoltà. Tuttavia, i difetti sono la perdita di inserzione (riscaldamento e spreco di energia) e la mancanza di isolamento elettrico. Inoltre, l'induttanza in serie di molti resistori di potenza limita la banda di frequenze nei componenti a basso costo; quindi, il rilevamento resistivo è classificato come applicazione in CC (corrente continua) o CA (corrente alternata). I resistori a bassa induttanza e ad alta potenza per l'alta frequenza sono più costosi, ma consentono il funzionamento oltre i 500 kHz. Inoltre, l'amplificazione del segnale è (solitamente) richiesta con tecniche resistive di rilevamento della corrente in cui è necessario un comparatore o un amplificatore operazionale.

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