ما هو حساس التيار؟ كيف يقيس التيار
حساس التيار هو جهاز يقيس التيار الكهربائي المتدفق عبر موصل ويحوّله إلى إشارة قابلة للاستخدام. عادةً ما تكون هذه الإشارة جهدًا متناسبًا يمكن لجهاز قياس أو متحكم أو متحكم دقيق قراءته. بدونه، فإن أي نظام يشحن البطاريات أو يحرك المحركات سيكون يعمل بشكل أعمى.
ما هو حساس التيار؟
تقع حساسات التيار في مسار الطاقة للدائرة وتنتج خرجًا يتتبع التيار في الوقت الحقيقي. بعض الحساسات تخرج جهدًا تماثليًا، بينما توفر أخرى قراءة رقمية عبر ناقل مثل I2C. الجانب المدخل هو إما مقاوم دقيق متصل على التوالي مع الحمل أو عنصر مغناطيسي بالقرب من الموصل.
تسيطر عائلتان على التصاميم العملية. الحساسات المباشرة تدخل مقاومة صغيرة في الدائرة وتقيس الجهد عبرها. الحساسات غير المباشرة تكتشف المجال المغناطيسي الذي ينتجه التيار طبيعيًا، لذا فهي لا تحتاج إلى اتصال كهربائي مع الموصل.
كيف يعمل حساس التيار؟
تعتمد مبدأ القياس على تقنية الاستشعار. كل طريقة تقدم توازنًا مختلفًا بين الدقة والعزل والتكلفة. تعمل التقنيات الثلاثة الأكثر شيوعًا كما يلي.
- مقاوم الشنت: مقاوم دقيق منخفض القيمة جدًا يطور انخفاض جهد صغير، يقوم مكبر صوت بتكبيره. قانون أوم يجعل الانخفاض متناسبًا تمامًا مع التيار.
- حساس تأثير هول: المجال المغناطيسي للموصل يحرف حوامل الشحنة في صفيحة رقيقة من أشباه الموصلات. الجهد الناتج يتناسب مع المجال، وبالتالي مع التيار.
- محول التيار: الموصل الأساسي يعمل كلفافة محول، يحث تيارًا ثانويًا بمقياس معين. هذه الطريقة تعمل فقط للتيار المتردد.
نظرًا لأن الشنت موصل على التوالي، فإن قياسه يشارك مرجع الأرض للدائرة. أنواع تأثير هول والمحولات تحافظ على العزل الجلفاني بين مسار التيار العالي والإلكترونيات. غالبًا ما يكون هذا العزل هو العامل الحاسم في التصاميم الصناعية.
مقارنة بين تأثير هول والشنت ومحول التيار
يبدأ اختيار تقنية الاستشعار بمقارنة جنبًا إلى جنب. يلخص الجدول أدناه الفروقات العملية. قارن الأعمدة مع قيود جهد مشروعك ودقته وميزانيته.
| السمة | مقاوم الشنت | تأثير هول | محول التيار |
|---|---|---|---|
| يقيس التيار المستمر | نعم | نعم | لا |
| العزل الجلفاني | لا | نعم | نعم |
| فقدان الطاقة | صغير لكنه مستمر | مهمل | مهمل |
| الدقة النموذجية | عالية مع مكبر جيد | متوسطة إلى عالية | معتدل |
| التكلفة النسبية | منخفض | متوسط | من متوسط إلى مرتفع |
بالنسبة للإلكترونيات التي تعمل بالبطاريات، يوفر القياس المعتمد على المقاومة الدقيقة أفضل دقة مقابل المال. بالنسبة لمسارات التيار الكهربائي أو الجهد العالي، توفر حساسات تأثير هول العزل بتكلفة معقولة. تظل المحولات الحالية الخيار القياسي للوحات قياس التيار المتردد.
قراءة حساس التيار باستخدام متحكم دقيق
تخرج معظم وحدات الهواة والمصنعين جهدًا تناظريًا مركزًا حول نقطة مرجعية. يقوم محول التناظر إلى الرقمي في المتحكم الدقيق بتحويل هذا الجهد إلى رقم، وتحويلات رياضية بسيطة تحول الرقم إلى أمبيرات. تسلسل المعايرة أدناه ينطبق على الوحدات ذات المخرجات التناظرية النموذجية.
- وصل خرج الحساس إلى مدخل ADC وسجل جهد الإمداد.
- مع عدم توصيل حمل، سجل جهد الخرج عند التيار الصفري كإزاحة.
- طبق تيار حمل معروف وسجل جهد الخرج مرة أخرى.
- اقسم تغير الجهد على التيار المعروف للحصول على الحساسية.
- خزن الإزاحة والحساسية، ثم استخدمهما لتحويل جميع القراءات المستقبلية.
تزيل معايرة النقطتين هذه معظم التفاوت بين الوحدات. كما تعوض عن تحمّل المرجع الخاص بـ ADC. التصاميم التي تحتاج إلى دقة أفضل تضيف مرجع جهد دقيق وتوسط العديد من العينات.
التطبيقات: مراقبة البطارية والتحكم في المحرك
يظهر استشعار التيار حيثما يجب تتبع الطاقة أو حمايتها. يغطي تطبيقان معظم التصاميم التي يبنيها المصنعون والمهندسون. كلاهما يوضح لماذا تختلف أهمية الدقة في كل حالة.
في الأنظمة التي تعمل بالبطاريات، يتتبع حساس التيار الشحن والتفريغ مع مرور الوقت لتقدير حالة الشحن. تتراكم الأخطاء الصغيرة هنا، لذا فإن انخفاض انحراف الإزاحة أهم من السرعة الخام. عادةً ما تقترن أنظمة إدارة البطارية بمقاومة دقيقة مع دائرة مقياس وقود مخصصة.
يستخدم التحكم في المحرك التيار كبديل للحمل والحالة الصحية. يكشف المحرك المتوقف عن نفسه من خلال ارتفاع مفاجئ في التيار، يمكن للمتحكم الاستجابة له خلال ميلي ثانية. تعتمد الحماية من التحميل الزائد، وتقدير العزم، وضبط الكفاءة على نفس القراءة.
اختيار وحدة حساس التيار لمشاريع أردوينو
تجمع وحدات الاستخدام الهوايئة عنصر الاستشعار مع التضخيم والأطراف. قائمة تحقق قصيرة تصفي الخيارات بسرعة. تحقق من هذه النقاط الخمس قبل الشراء أو التصميم.
- نطاق القياس: يجب أن تبقى التيارات القصوى داخل النطاق المصنف، مع هامش فوق أسوأ حالة لديك.
- متطلبات العزل: أي اتصال بالتيار الكهربائي أو التيار المستمر عالي الجهد يتطلب حساسًا معزولًا.
- نوع الخرج: الخرج التناظري يناسب مدخل ADC عادي، بينما تقلل الحافلات الرقمية من الأسلاك والضوضاء.
- الدقة المطلوبة: قدر أصغر تغير في التيار يهم، ثم تحقق من مستوى الضوضاء.
- توافق الإمداد: تحتاج لوحات 5 فولت ولوحات 3.3 فولت إلى وحدات تتوافق مع نطاقات الإمداد والخرج.
تستخدم معظم وحدات عصر أردوينو إمداد 5 فولت وخرجًا تناظريًا مركزًا عند نصف الإمداد. يسمح هذا الخرج المركزي بالقياس ثنائي الاتجاه، مما يظهر كلًا من الشحن والتفريغ. تحقق من هذه التفاصيل مقابل مستوى منطق لوحتك قبل توصيل أي شيء.
الأسئلة المتكررة
هل يمكنني قياس التيار دون قطع الدائرة؟
نعم، باستخدام حساس على شكل مشبك أو حساس تأثير هول يحيط بالموصل. تقرأ هذه التصاميم الحثية والمغناطيسية المجال دون أي اتصال كهربائي.
لماذا ينحرف قراءة المقاومة الدقيقة مع درجة الحرارة؟
تتغير قيمة المقاومة مع درجة الحرارة، مما يحول القراءة. استخدام مقاومة دقيقة منخفضة معامل الحرارة والحفاظ على انخفاض تبديد الطاقة يقلل الانحراف.
ما الفرق بين حساسات التيار المتردد والمستمر؟
يجب أن تستجيب حساسات التيار المستمر لمجال ثابت، لذا تستخدم المقاومات الدقيقة أو عناصر هول. ترى محولات التيار البسيطة فقط المجالات المتغيرة، مما يستبعد التيار المستمر الخالص.
ما مدى دقة وحدات مستشعر التيار للهوايات؟
تحقق الوحدات النموذجية دقة تصل إلى بضعة في المئة بعد المعايرة. تتحسن الدقة عند المعايرة عند نقطتين والحفاظ على المستشعر بعيدًا عن مصادر الحرارة.
