2-3. ВАТТМЕТРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ХОЛЛА

Эффект Холла заключается в появлении поперечной разности потенциалов в полупроводниковой пластине, по которой в продольном направлении протекает электрический ток при воздействии на этот ток перпендикулярного ему магнитного поля. Эффект Холла реализуется в преобразователях

Рис. 2-8

Рис. 2-9

Холла, представляющих собой тонкую полупроводниковую пластину (рис. 2-8), к двум зажимам которой (1—2) присоединяется внешний источник тока, а на двух других зажимах (3—4) возникает э. д. с., называемая э. д. с. Холла. Она равна, как известно,

где — постоянная Холла, зависящая от свойств полупроводника; — геометрические размеры преобразователя; — подвижность носителей тока; 1 — ток в преобразователе; а — угол между вектором индукции В и плоскостью преобразователя.

Иследованию свойств преобразователей Холла посвящен ряд работ. Наиболее полно современное состояние вопроса изложено в монографии [5], где приводятся сведения как о технологии изготовления, методах исследования, типовых характеристиках, так и об областях возможного применения различных типов преобразователей.

Основной характеристикой преобразователя Холла, как элемента измерительного устройства, является его чувствительность под которой понимают отношение к произведению Непостоянство обусловливается как конструктивными параметрами преобразователя, так и условиями его изготовления и применения. Так, может изменяться до 40% при изменении отношения от 2 до 1, при этом она становится существенно нелинейной; изменяется также из-за изменения параметров и при отклонении температуры. На постоянство существенное влияние оказывает технология изготовления преобразователей, а также и э. д. с. неэквипотенциальности , которая наблюдается даже при современных методах микрофотолитографии, так как она обусловливается неравномерностью плотности тока.

Эти особенности преобразователей Холла очень ограничивают в настоящее время область применения их в приборах высокой точности. Однако ряд достоинств, таких, как возможность создания на их основе приборов с малым потреблением, простота, с которой достигается изменение диапазонов измерения, и другие, обусловливают все новые попытки создать на основе этих преобразователей приборы для измерения тока, напряжения и мощности.

При измерении мощности в преобразователе следует обеспечить зависимость одной из входных величин от падения напряжения на нагрузке, а второй — от тока через нее.

Конструктивно это может достигаться двумя путями. В первом варианте обмотка, создающая магнитное поле, обтекается током через нагрузку , а ток через преобразователь пропорционален падению напряжения на ней (рис. 2-9). Во втором варианте ток через обмотку, создающий магнитное поле, пропорционален напряжению , а ток через преобразователь — току в нагрузке. Практическое развитие получили приборы, основанные на первом варианте, так как при включении обмотки магнитной системы в параллельную цепь существенно возрастает частотная погрешность, вызванная ее индуктивностью.

При постоянном токе также постоянна, при синусоидальном токе частоты имеет постоянную составляющую и переменную частоты :

где — коэффициенты пропорциональности, зависящие от свойств преобразователя и от параметров магнитной системы соответственно; — коэффициент преобразования напряжения в ток; — угол сдвига фаз между током и падением напряжения на нагрузке.

Ваттметры с преобразователем Холла состоят из трех элементов: собственно преобразователя или множительного устройства, магнитной системы и измерительной системы, состоящей, в свою очередь, из первичных преобразователей и из измерительного прибора постоянного тока.

При рассмотрении погрешностей таких ваттметров целесообразно, так же как это сделано при рассмотрении электродинамических ваттметров, считать их состоящими из трех групп: погрешностей, имеющих место только на переменном токе; погрешностей, имеющих место только на постоянном токе, и погрешностей, проявляющихся равным образом на постоянном и переменном токе.

Каждому из элементов таких ваттметров в той или иной мере присущи погрешности всех трех групп.

Погрешности магнитопровода. К первой группе погрешностей относятся погрешности, обусловливаемые зависимостью магнитной проницаемости от частоты, потерями на вихревые токи и перемагничивание, из-за появления которых происходит сдвиг фаз между магнитным потоком и намагничивающим током. При работе на постоянном токе погрешности от магнитопровода появляются вследствие явлений гистерезиса.

Качественно оба вида этих погрешностей оцениваются соотношениями, полученными при рассмотрении погрешностей ферродинамических ваттметров, и приводят к аналогичным последствиям. Методы их уменьшения те же — использование материала с высокой магнитной проницаемостью и малой остаточной намагниченностью. Конструкция магнитопровода должна обеспечивать сведение к минимуму влияния вихревых токов и линейную зависимость магнитного потока от магнитодвижущей силы.

К погрешностям третьей группы следует отнести изменение параметров магнитной цепи от отклонений температуры.

Погрешности преобразователей Холла. К первой группе погрешностей следует отнести погрешности вследствие нелинейной зависимости выходной э. д. с. от магнитного поля, которая возрастает с уменьшением коэффициента мощности (это э. д. с. в выходной цепи, которая наводится переменным магнитным потоком и зависит от индуктивной связи входных и выходных цепей преобразователя). Наличие этой индуцированной э. д. с. приводит к тому, что даже

при в выходной цепи наводится э. д. с., значение которой зависит от частоты переменного тока. Устраняется это влияние введением противо-э. д. с., подобно тому, как это делается для устранения контактной разности потенциалов в электростатических приборах [16].

Погрешностями второй группы являются погрешности в цепях постоянного тока, которые обусловливаются в основном э. д. с. неэквипотенциальности холловских электродов, проявляющейся тем сильнее, чем менее нагружен преобразователь.

Изменение температуры приводит, как уже указывалось, к резкому падению чувствительности К третьей группе погрешностей относятся также погрешности, обусловливаемые собственным полем преобразователя. Оно возникает из-за неоднородной плотности тока в тонких пленках и, взаимодействуя с током в преобразователе, дает э. д. с. Холла в отсутствие внешнего магнитного поля.

Погрешности измерительной цепи. Эти погрешности зависят от погрешности прибора постоянного тока, используемого для измерения э. д. с. , и погрешности масштабных преобразователей.

Погрешность, вносимая реактивностью параллельной цепи, определяется в основном реактивностью добавочного резистора и начинает сказываться при значительно более высоких частотах, чем в электродинамическом ваттметре.

Более детальное рассмотрение погрешностей преобразователей Холла показывает, что на их основе могут быть созданы ваттметры с погрешностью 0,2-0,5%.

В литературе указывается, что основными достоинствами преобразователей являются возможность использования их при больших токах, так как отпадает ряд трудностей, возникающих при создании трансформаторов тока и шунтов на широкий диапазон частот, а также использования при сильно искаженных формах кривых и при малых коэффициентах мощности.

Достоинством преобразователя является изолированность токовой цепи от цепи прибора.

Малые размеры воздушного зазора в магнитопроводе преобразователя приводят к существенно меньшим значениям погрешностей, зависящих от свойств магнитопровода, чем в ферродинамичсских ваттметрах. Кроме того, это позволяет размещать несколько преобразователей в одном магнитопроводе, что существенно при введении корректирующих цепей.

Преобразователи Холла нашли практическое применение в цифровых ваттметрах типа класса точности 0,5, предназначенных для измерения активной мощности в однофазных цепях переменного тока в диапазоне частот от 40 до 450 Гц при номинальном коэффициенте мощности, равном единице. Выполнен прибор в виде двух блоков — преобразователя активной мощности типа и цифрового вольтметра постоянного тока.