Pomiar prądu w obwodach DC z użyciem czujnika ACS712 to temat, który łączy w sobie zarówno teoretyczne podstawy pomiarowe, jak i praktyczne aspekty implementacji w systemach elektronicznych.
Podstawy pomiaru prądu w obwodach DC
W klasycznych rozwiązaniach pomiar prądu odbywa się najczęściej przez szeregową rezystancję znaną jako bocznik lub przez zastosowanie transformatora prądowego. W obwodach stałego napięcia (DC) unika się jednak transformatorów ze względu na brak przemiennego składowego sygnału a także ze względu na prostotę realizacji. W takim przypadku najważniejsze parametry to precyzja, zakres pomiarowy i generowane szumy. Rezystor bocznikowy, choć tani, w najbardziej wymagających układach może wpływać na zmianę pracy całego obwodu: przy wyższych prądach generuje spadek napięcia powodujący straty i ogrzewanie. Z tego powodu coraz częściej stosuje się rozwiązania półprzewodnikowe wykorzystujące efekt Halla.
Efekt Halla polega na przemieszczaniu się nośników ładunku pod wpływem pola magnetycznego, co prowadzi do wytworzenia różnicy potencjałów prostopadle do kierunku przepływu prądu i pola. W układzie pomiarowym czujnik Hall’a umieszczony w pobliżu przewodu przewodzi pomiar prądu bez konieczności bezpośredniego włączania rezystancji. Dzięki temu otrzymujemy sygnał napięciowy proporcjonalny do natężenia prądu bez ingerencji w główną ścieżkę prądową.
Konstrukcja i zasada działania czujnika ACS712
Zasada działania układu ACS712
Moduł ACS712 bazuje na układzie scalonym producenta Allegro Microsystems, zawierającym element Hall’a oraz wzmacniacz różnicowy. Przewód obciążenia jest prowadzony przez wbudowaną ścieżkę aluminiową o określonym przekrójcie, wokół której zbudowane jest pole magnetyczne. W efekcie Hallotron odbiera sygnał napięciowy proporcjonalny do natężenia tego pola, a wewnętrzny wzmacniacz różnicowy przetwarza go na napięcie wyjściowe.
Parametry i specyfikacja
- Zakres pomiarowy: od –5 A do +5 A (wersja ACS712ELCTR-05B)
- Typowa czułość: 185 mV/A (w wersji ±5 A)
- Offset około połowy napięcia zasilania (2,5 V przy 5 V)
- Pasmo przenoszenia do 80 kHz
- Temperaturowy dryft offsetu: typowo ±1,0 mV/°C
- Typowa precyzja: ±1,5 % przy pełnej skali
Dzięki wbudowanemu wzmacniaczowi różnicowemu układ ACS712 oferuje bezkontaktowy pomiar prądu z izolacją galwaniczną między układem pomiarowym a obwodem pomiarowym. Generowany odczyt jest proporcjonalny do wartości prądu, a wystarczy jedynie zmierzyć napięcie wyjściowe za pomocą przetwornika ADC w mikrokontrolerze.
Implementacja i kalibracja układu
Podstawowym krokiem przy budowie układu jest prawidłowe zasilanie modułu. ACS712 wymaga stabilnego napięcia 5 V, które zapewnia stabilne odniesienie offsetu. Kolejny etap to pomiar napięcia wyjściowego za pomocą 10- lub 12-bitowego przetwornika ADC w mikrokontrolerze. Napięcie to wynosi około 2,5 V przy zerowym prądzie i zmienia się o wartość równej czułości pomnożonej przez mierzony prąd.
Aby uzyskać dokładne wyniki, należy przeprowadzić kalibrację układu. Procedura wygląda następująco:
- Pomiar napięcia offsetu przy zerowym prądzie (kilkukrotne odczyty, uśrednienie).
- Podanie znanego prądu wzorcowego, np. 1 A, i pomiar napięcia wyjściowego.
- Obliczenie rzeczywistej czułość (ΔV/ΔI) oraz porównanie z danymi katalogowymi.
- Wprowadzenie korekt w oprogramowaniu mikrokontrolera (współczynnik kalibracji).
Dokładność pomiaru można poprawić przez filtrowanie sygnału ADC (np. średnia krocząca) oraz minimalizację źródeł zakłóceń w obwodzie zasilania i wokół przewodu pomiarowego. Warto również zastosować wydzielone linie zasilania i masy, by uniknąć pętli masowych generujących zakłócenia.
Zastosowania i przykłady praktyczne
Czujnik ACS712 jest często wykorzystywany w następujących aplikacjach:
- Systemy ochrony nadprądowej w urządzeniach zasilanych DC
- Ładowarki akumulatorów, zwłaszcza w uninterruptible power supplies (UPS)
- Monitoring zużycia energii w instalacjach solarnych i fotowoltaicznych
- Sterowniki silników DC i regulator prędkości
- Projekty edukacyjne związane z prądem stałym i mikrokontrolerami
Przykład praktyczny: w układzie zarządzania baterią Li-Ion można wykorzystać ACS712 do kontroli prądu ładowania i rozładowania. W połączeniu z oprogramowaniem na pokładzie mikrokontrolera umożliwia to precyzyjne śledzenie cyklu życia akumulatora oraz zabezpieczenie przed przeciążeniem. Inny scenariusz to system fotowoltaiczny, gdzie moduł ACS712 monitoruje prąd generowany przez panel, dostarczając dane do algorytmów MPPT (Maximum Power Point Tracking).
