Nucleo del sensore di corrente ad effetto Hall in acciaio al silicio

Che cos'è un nucleo del sensore di corrente ad effetto Hall

Un sensore di corrente ad effetto Hall misura il campo magnetico generato dalla corrente che scorre in un conduttore e lo converte in un segnale di tensione proporzionale. Il nucleo magnetico concentra questo campo attorno all'elemento Hall, quindi la precisione, la linearità e la stabilità dell'intero sensore dipendono fortemente dal materiale e dalla geometria del nucleo. I nuclei in acciaio al silicio rimangono una scelta ampiamente utilizzata per questo ruolo, principalmente nell'intervallo da 50 Hz a 1000 Hz, dove combinano elevata permeabilità, buona linearità e prestazioni prevedibili a costi moderati.

Requisiti materiali per i nuclei di rilevamento

Per la misurazione piuttosto che per il trasferimento di potenza, il nucleo deve riprodurre fedelmente il campo magnetico. I requisiti più importanti sono:

Elevata permeabilità, in modo che una piccola corrente magnetizzante produca un flusso sufficiente per essere rilevato dall'elemento Hall.

Buona linearità nell'intervallo di lavoro, poiché la non linearità nel nucleo appare direttamente come errore di misurazione.

Bassa rimanenza, in modo che la lettura ritorni a zero quando viene rimossa la corrente primaria, evitando errori di offset.

Un ampio intervallo di permeabilità, che consente a un singolo nucleo di servire diverse correnti nominali.

Risposta stabile alla temperatura, in genere da -40 C a +120 C per i gradi automobilistici e industriali.

L'acciaio al silicio a grani-orientati è solitamente preferito quando il percorso di rilevamento è un anello chiuso o un nucleo a C-tagliato, perché le sue proprietà magnetiche direzionali garantiscono la massima permeabilità lungo la direzione di laminazione.

Design dei sensori a circuito-aperto e-chiuso

In un sensore a circuito aperto-il nucleo concentra il campo e l'elemento Hall lo legge direttamente; l'uscita è proporzionale alla corrente primaria e il circuito è semplice. In un sensore a circuito chiuso-la tensione Hall aziona un avvolgimento secondario che annulla il campo primario, quindi il nucleo funziona con un flusso vicino allo zero. I design a circuito chiuso- offrono maggiore precisione, minore deriva termica e risposta più rapida, al costo di più componenti elettronici e di un avvolgimento secondario. I sensori a circuito aperto- necessitano quindi di un'ottima linearità e bassa rimanenza, mentre i sensori a circuito- chiuso possono tollerare un nucleo meno lineare perché il flusso viene attivamente annullato.

Stili di base per sensori di corrente

I nuclei dei sensori sono disponibili in diverse geometrie. I nuclei toroidali forniscono un circuito magnetico completamente chiuso senza traferro e con perdite minime. I nuclei a C-tagliati consentono di assemblare il sensore attorno a una barra collettrice o a un cavo esistente, il che è essenziale per lavori di retrofit e manutenzione. I nuclei avvolti e i telai rettangolari coprono progetti di conduttori e sbarre di distribuzione-di grandi dimensioni. La scelta dipende principalmente dal fatto che il conduttore primario venga fatto passare attraverso la finestra durante il montaggio o debba essere fissato attorno ad un impianto esistente.

Dimensioni principali rappresentative e potenze nominali

La tabella seguente elenca le dimensioni tipiche del nucleo tagliato-utilizzate nei gruppi di sensori attuali, con spessore dell'avvolgimento, larghezza del nastro, opzioni di altezza interna e potenza apparente supportata dal nucleo a 50 Hz e 400 Hz.

Elemento fondamentale	Spessore avvolgimento (mm)	Larghezza del nastro (mm)	Altezza interna (mm)	Potenza a 50 Hz	Potenza a 400 Hz
CD6.5x12.5x8	6.5	12.5	8, 10, 12.5, 16	Non specificato	9,69-20,4 VA
CD8x12,5x12,5	8	12.5	12.5, 16, 20, 25	Non specificato	25,8-51,8 VA
CD10x12,5x20	10	12.5	20, 25, 32, 40	2,42-6,67 VA	56,6-112VA
CD12,5x16x25	12.5	16	25, 32, 40, 50	10,7-25 VA	119-221 VA
CD12,5x25x30	12.5	25	30, 40, 50, 60	31,2-63,2 VA	222-398 VA
CD16x32x40	16	32	40, 50, 65, 80	89-171 VA	470-840 VA
CD20x40x50	20	40	50, 60, 80, 100	199-375 VA	813-1476 VA
CD25x50x65	25	50	65, 80, 100, 120	448-776 VA	1595-2668 VA
CD32x64x80	32	64	80, 100, 130, 160	1006-1843 VA	3197-5522VA
CD40x80x100	40	80	100, 120, 160, 200	2106-3912VA	6152-10737VA

I valori di potenza indicano il massimo carico induttivo supportato dal nucleo alla frequenza data. Per le applicazioni di rilevamento, gli stessi nuclei funzionano a una frazione di questa potenza, in modo che la densità di flusso rimanga bassa e la linearità elevata.

Applicazioni

Sensori di corrente per la gestione delle batterie automobilistiche e gli azionamenti dei motori di trazione.

Trasduttori di corrente per l'automazione e il controllo di processo.

Misurazione della corrente CC e CA in inverter, caricabatterie e alimentatori industriali.

Rilevamento della corrente residua e monitoraggio delle perdite nei quadri di distribuzione.

Lista di controllo della selezione

Definire innanzitutto la corrente nominale, il fattore di sovraccarico e la classe di precisione richiesta; fissano la dimensione del nucleo e il grado del materiale.

Scegliere un toroide chiuso quando il conduttore può essere fatto passare attraverso e un nucleo tagliato quando il sensore deve essere fissato attorno a una sbarra collettrice esistente.

Controllare la gamma di frequenza: l'acciaio al silicio standard è adatto a 50-1000 Hz; al di sopra di questo intervallo si dovrebbero prendere in considerazione nuclei nanocristallini o amorfi.

Confermare l'intervallo di temperatura dell'applicazione e abbinarlo al rivestimento del nucleo e al grado di isolamento.

Domande frequenti

Perché la bassa rimanenza è importante nel nucleo di un sensore?

Il flusso rimanente compensa la lettura quando la corrente primaria ritorna a zero, il che appare come un errore di precisione a bassa corrente. L'acciaio al silicio a bassa-rimanenza mantiene piccola l'induzione residua, pertanto l'uscita del sensore rimane vicina allo zero quando non circola corrente.

Una dimensione del nucleo può coprire diverse correnti nominali?

SÌ. Una finestra più grande accetta conduttori più spessi o spire multiple e il rapporto spire regola la sensibilità. Poiché i nuclei in acciaio al silicio offrono un ampio intervallo di permeabilità, lo stesso corpo centrale viene spesso utilizzato in una famiglia di valori di corrente con diverse configurazioni di avvolgimento.

Qual è la differenza tra un nucleo di rilevamento e un nucleo di trasformatore di potenza?

Un nucleo di potenza è progettato per trasferire energia in modo efficiente ad alta densità di flusso, mentre un nucleo di rilevamento è progettato per riprodurre fedelmente un campo a bassa densità di flusso. I nuclei di rilevamento danno priorità alla linearità, alla bassa rimanenza e alla stabilità dimensionale rispetto alla massima produttività.

Quando dovrebbe essere utilizzato un nucleo tagliato invece di un toroide?

Un nucleo a C- tagliato viene utilizzato quando il sensore deve essere assemblato attorno a un cavo o a una barra collettrice già installato oppure quando il conduttore primario è troppo grande per essere fatto passare attraverso un anello chiuso. Il taglio introduce un piccolo traferro d'aria, che deve essere controllato perché abbassa la permeabilità effettiva.

In che modo la temperatura influisce sui nuclei dei sensori in acciaio al silicio?

La permeabilità e la rimanenza variano leggermente con la temperatura. Sono specificati buoni gradi di rilevamento con una risposta stabile da -40 C a +120 C, che mantiene l'errore di misurazione entro la classe di precisione dichiarata negli intervalli di temperatura automobilistici e industriali.

Quale gamma di frequenza è adatta al nucleo del sensore di corrente in acciaio al silicio?

I nuclei standard in acciaio al silicio sono pratici da 50 Hz fino a circa 1000 Hz. Al di sopra di questo intervallo le perdite di correnti parassite e il calo di permeabilità rendono i nuclei nanocristallini o amorfi una scelta migliore per la stessa precisione.