《霍爾電流傳感器》word版

1、霍爾電流傳感器一、霍爾電流電壓傳感器、變送器的基本原理與使用方法1霍爾器件霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì)VH。如圖11所示。霍爾電勢(shì)VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即：VHKHICBsin霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成的，即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來(lái)測(cè)量這一磁場(chǎng)。因此，使電流的非接觸測(cè)量成為可能。通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小，間接測(cè)量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過(guò)了電磁電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。2霍爾直流檢測(cè)原理如圖12所示。由于磁路與霍爾器件的

2、輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓訊號(hào)U0可以間接反映出被測(cè)電流I1的大小，即：I1B1U0 我們把U0定標(biāo)為當(dāng)被測(cè)電流I1為額定值時(shí)的霍爾輸出電壓，U0等于50mV或100mV。這就制成霍爾直接檢測(cè)（無(wú)放大）電流傳感器。3霍爾磁補(bǔ)償原理原邊主回路有一被測(cè)電流I1，將產(chǎn)生磁通1，被副邊補(bǔ)償線圈通過(guò)的電流I2所產(chǎn)生的磁通2進(jìn)行補(bǔ)償后保持磁平衡狀態(tài)（相互抵消），霍爾器件則始終處于檢測(cè)零磁通的作用。所以稱為霍爾磁補(bǔ)償電流傳感器。這種先進(jìn)的原理模式優(yōu)于直檢原理模式，突出的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快和測(cè)量精度高，特別適用于弱小電流的檢測(cè)。霍爾磁補(bǔ)償原理如圖13所示。從圖13知道：12 I1N1I2N2

3、 I2NI/N2I1當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過(guò)測(cè)量電阻Rm時(shí)，在Rm兩端轉(zhuǎn)換成電壓。做為傳感器測(cè)量電壓U0即：U0I2Rm按照霍爾磁補(bǔ)償原理制成了額定輸入從0.01A500A系列規(guī)格的電流傳感器。由于磁補(bǔ)償式電流傳感器必須在磁環(huán)上繞成千上萬(wàn)匝的補(bǔ)償線圈，因而成本增加；其次，工作電流消耗也相應(yīng)增加；但它卻具有直檢式不可比擬的較高精度和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。4磁補(bǔ)償式電壓傳感器為了測(cè)量mA級(jí)的小電流，根據(jù)1I1N1，增加N1的匝數(shù)，同樣可以獲得高磁通1。采用這種方法制成的小電流傳感器不但可以測(cè)mA級(jí)電流，而且可以測(cè)電壓。與電流傳感器所不同的是在測(cè)量電壓時(shí)，電壓傳感器的原邊多匝繞組通過(guò)串聯(lián)一個(gè)限流電阻R1，然后并

4、聯(lián)連接在被測(cè)電壓U1上，得到與被測(cè)電壓U1成比例的電流I1，如圖14所示。副邊原理同電流傳感器一樣。當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過(guò)測(cè)量電阻RM時(shí)，在RM兩端轉(zhuǎn)換成電壓作為傳感器的測(cè)量電壓U0，即 U0I2RM5電流傳感器的輸出直接檢測(cè)式（無(wú)放大）電流傳感器為高阻抗輸出電壓，在應(yīng)用中，負(fù)載阻抗要大于10K，通常都是將其50mV或100mV懸浮輸出電壓用差動(dòng)輸入比例放大器放大到4V或5V。圖51是兩個(gè)實(shí)用電路，供參考。 （a）圖可滿足一般精度要求；（b）圖性能較好，適用于精度要求高的場(chǎng)合。直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應(yīng)用中，負(fù)載阻抗要大于2K。磁補(bǔ)償式電流、電壓磁補(bǔ)償式電流、電壓傳感器均為電流輸出

5、型。從圖13看出“M”端對(duì)電源“O”端為電流I2的通路。因此，傳感器從“M”端輸出的信號(hào)為電流信號(hào)。電流信號(hào)可以在一定范圍遠(yuǎn)傳，并能保證精度，使用中，測(cè)量電阻RM只需設(shè)計(jì)在二次儀表輸入或終端控制板接口上。為了保證高精度測(cè)量要注意：測(cè)量電阻的精度選擇，一般選金屬膜電阻，精度0.5，詳見(jiàn)表11，二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應(yīng)大于測(cè)量電阻100倍以上。6取樣電壓與測(cè)量電阻的計(jì)算從前面公式知道U0I2RMRMU0/I2式中：U0測(cè)量電壓，又叫取樣電壓（V）I2副邊線圈補(bǔ)償電流（A）RM測(cè)量電阻（）計(jì)算時(shí)I2可以從磁補(bǔ)償式電流傳感器技術(shù)參數(shù)表中查出與被測(cè)電流（額定有效值）I1相對(duì)應(yīng)的輸出電流（額定有

6、效值）I2。假如要將I2變換成U05V，RM選擇詳見(jiàn)表11。7飽和點(diǎn)與最大被測(cè)電流的計(jì)算從圖13可知輸出電流I2的回路是：V+末級(jí)功放管集射極N2RM0，回路等效電阻如圖16。（V-0的回路相同，電流相反）當(dāng)輸出電流I2最大值時(shí)，電流值不再跟著I1的增加而增加，我們稱為傳感器的飽和點(diǎn)。按下式計(jì)算I2maxV+-VCES/RN2+RM式中：V+正電源（V）VCES功率管集射飽和電壓，（V）一般為0.5VRN2副邊線圈直流內(nèi)阻（），詳見(jiàn)表，12RM測(cè)量電阻（）從計(jì)算可知改變測(cè)量電阻RM，飽和點(diǎn)隨之也改變。當(dāng)被測(cè)電阻RM確定后，也就有了確定的飽和點(diǎn)。根據(jù)下式計(jì)算出最大被測(cè)電流I1max：I1maxI

7、1/I2I2max在測(cè)量交流或脈沖時(shí)，當(dāng)RM確定后，要計(jì)算出最大被測(cè)電流I1MAX，如果I1max值低于交流電流峰值或低于脈沖幅值，將會(huì)造成輸出波形削波或限幅現(xiàn)象，此種情況可將RM選小一些來(lái)解決。8計(jì)算舉例：舉例1以電流傳感器LT100P為例：（1） 要求測(cè)量額定電流：直流100A最大電流：直流200A（過(guò)載時(shí)間1分鐘/小時(shí)）（2） 查表，知工作電壓：穩(wěn)壓15V，線圈內(nèi)阻20（詳見(jiàn)表12）輸出電流：0.1A（額定值）（3） 要求取樣電壓：5V計(jì)算測(cè)量電流與取樣電壓是否合適RMU0/I25/0.150（）I2maxV+VCES/RN2RM150.5/20500.207（A）I1maxI1/I2I

8、2max100/0.10.207207（A）從以上計(jì)算結(jié)果得知滿足（1）、（3）的要求。9磁補(bǔ)償式電壓傳感器說(shuō)明與舉例LV50P型電壓傳感器原邊與副邊抗電強(qiáng)度4000VRMS（50Hz.1min），用以測(cè)量直流、交流、脈沖電壓。在測(cè)量電壓時(shí)，根據(jù)電壓額定值，在原邊HT端串一限流電阻，即被測(cè)電壓通過(guò)電阻得到原邊電流U1/R1I1、R1U1/10mA（K），電阻的功率要大于計(jì)算值24倍，電阻的精度0.5。R1精密線繞功率電阻，可由廠方代訂。10.電流傳感器的接線方法（1） 直檢式（無(wú)放大）電流傳感器接線圖如圖17所示。 （a）圖是P型（印板插腳式）接發(fā)，（b）圖是C型（插座插頭式）接法，VN.、V

9、N表示霍爾輸出電壓。（2） 直檢放大式電流傳感器接線圖如圖18所示。（a）圖是P型接法，（b）圖是C型接法，圖中U0表示輸出電壓，RL表示負(fù)載電阻。（3） 磁補(bǔ)償式電流傳感器接線圖如圖19所示。（a）圖是P型接法，（b）圖是C型接法（注意四針插座第三針是空腳） 以上三種傳感器的印板插腳式接法同實(shí)物的排列方法是一致的，插座插頭接法同實(shí)物的排列方法也是一致的，以免接線錯(cuò)誤。在以上接線圖上，主回路被測(cè)電流I1在穿孔中有一箭頭示出了電流正方向，實(shí)物外殼上也標(biāo)明了電流正方向，這是電流傳感器規(guī)定了被測(cè)電流I1的電流正方向與輸出電流I2是同極性的。這在三相交流或多路直流檢測(cè)量中是致關(guān)重要的。11.電流電壓傳

10、感器的工作電源電流傳感器是一種有源模塊，如霍爾器件、運(yùn)放、末級(jí)功率管，都需要工作電源，并且還有功耗，圖110是實(shí)用的典型工作電源原理圖。（1）輸出地端集中接大電解電容上，以利降噪。（2）電容為uF，二極管為1N4004。（3）變壓器根據(jù)傳感器功耗而定。（4）傳感器的工作電流。直檢式（無(wú)放大）耗電：最大5mA；直檢放大式耗電：最大20mA；磁補(bǔ)償式耗電：20輸出電流；最大消耗工作電流20輸出電流的2倍。根據(jù)消耗工作電流可以計(jì)算出功耗。12電流電壓傳感器使用注意事項(xiàng)（1）電流傳感器必須根據(jù)被測(cè)電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測(cè)電流長(zhǎng)時(shí)間超額，會(huì)損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，

11、2倍的過(guò)載電流持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)1分鐘。（2）電壓傳感器必須按產(chǎn)品說(shuō)明在原邊串入一個(gè)限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過(guò)壓持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)1分鐘。（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當(dāng)被測(cè)電流高于電流傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器；當(dāng)被測(cè)電壓高于電壓傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值1/2以下時(shí)，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數(shù)的辦法。（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中，6KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中，注

12、意不要超壓使用。（5）在要求得到良好動(dòng)態(tài)特性的裝置上使用時(shí)，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數(shù)，均會(huì)影響動(dòng)態(tài)特性。（6）在大電流直流系統(tǒng)中使用時(shí)，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產(chǎn)生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。（7）傳感器抗外磁場(chǎng)能力為：距離傳感器510cm一個(gè)超過(guò)傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾可以抵抗。三相大電流布線時(shí)，相間距離應(yīng)大于510cm。（8）為了使傳感器工作在最佳測(cè)量狀態(tài)，應(yīng)使用圖110介紹的簡(jiǎn)易典型穩(wěn)壓電源。（9）傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn)，使其有很強(qiáng)的過(guò)載能力，但過(guò)載能力是

13、有時(shí)間限制的，試驗(yàn)過(guò)載能力時(shí)，2倍以上的過(guò)載電流不得超過(guò)1分鐘。（10）原邊電流母線溫度不得超過(guò)85，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。13電流傳感器在使用中的優(yōu)越性（1）非接觸檢測(cè)。在進(jìn)口設(shè)備的再改造中，以及老舊設(shè)備的技術(shù)改造中，顯示出非接觸測(cè)量的優(yōu)越性；原有設(shè)備的電氣接線不用絲毫改動(dòng)就可以測(cè)得電流的數(shù)值。（2）使用分流器的弊端是不能電隔離，且還有插入損耗，電流越大，損耗越大，體積也越大，人們還發(fā)現(xiàn)分流器在檢測(cè)高頻大電流時(shí)帶有不可避免的電感性，不能真實(shí)傳遞被測(cè)電流波形，更不能真實(shí)傳遞非正弦波型。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端，且精度和輸出電壓值可以

14、和分流器做的一樣，如精度0.5、1.0級(jí)，輸出電壓50、75mV和100mV均可。（3）使用非常方便，取一只LT100C型電流傳感器，在M端與電源零端串入一只100mA的模擬表頭或數(shù)字萬(wàn)用表，接上工作電源，將傳感器套在電線回路上，即可準(zhǔn)確顯示主回路0100A電流值。（4）傳統(tǒng)的電流電壓互感器，雖然工作電流電壓等級(jí)多，在規(guī)定的正弦工作頻率下有較高的精度，但它能適合的頻帶非常窄，且不能傳遞直流。此外，工作時(shí)存在激磁電流，所以這是電感性器件，使它在響應(yīng)時(shí)間上只能做到數(shù)十毫秒。眾所周知的電流互感器二次側(cè)一旦開路將產(chǎn)生高壓危害。在使用微機(jī)檢測(cè)中需信號(hào)的多路采集，人們正尋求能隔離又能采集信號(hào)的方法。電流電

15、壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優(yōu)點(diǎn)，又解決了傳遞變送器價(jià)昂體積大還要配用互感器的缺陷，給微機(jī)檢測(cè)等自動(dòng)化管理系統(tǒng)提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)。在使用中，傳感器輸出信號(hào)既可直接輸入到高阻抗模擬表頭或數(shù)字面板表，也可經(jīng)二次處理，模擬信號(hào)送給自動(dòng)化裝置，數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)接口。 在3KV以上的高壓系統(tǒng)，電流、電壓傳感器都能與傳統(tǒng)的高壓互感器配合，替代傳統(tǒng)的電量變送器，為模數(shù)轉(zhuǎn)換提供方便。（5）傳統(tǒng)的檢測(cè)元件受規(guī)定頻率、規(guī)定波形，響應(yīng)滯后等很多因素的限制，不能適應(yīng)大功率變流技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而產(chǎn)生的新一代霍爾電流電壓傳感器，以及電流電壓傳感器與真有效枝AC/DC轉(zhuǎn)換器組合成為一體化的變送器，已成為人們熟知

16、最佳檢測(cè)模塊。另外，電子電力裝置向高頻化、模塊化、組件化、智能化發(fā)展，使裝置設(shè)計(jì)者得心應(yīng)手，這將是電子電力技術(shù)史上劃時(shí)代的根本性變革。閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用地面車用電源系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng))的輸出電流的撿測(cè)與控制直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，影響車輛用電負(fù)載的運(yùn)行狀況及車輛的可靠性，由于車用電源的負(fù)載常常因?yàn)檐囕v的復(fù)雜使用條件而導(dǎo)致負(fù)載變化較大，電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制會(huì)造成電源因過(guò)載而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源的永久失效。閉環(huán)霍爾電流傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量

17、即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流完全電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)的調(diào)整處理，通過(guò)調(diào)整和設(shè)定該信號(hào)，反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會(huì)因用電負(fù)載的變化而損壞。2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理1879年，美國(guó)物理學(xué)家Edwim Herbert Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，此后，霍爾技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，霍爾電流電壓傳感器的性能有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流電壓傳感器的研制成功，大大擴(kuò)展了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。21 霍爾效應(yīng)與霍爾

18、器件霍爾效應(yīng)是霍爾器件的理論基礎(chǔ)。如圖1所示，當(dāng)把通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差即為霍爾電壓VH，這個(gè)VH電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過(guò)理論推算得到如下等式關(guān)系：VH=（RH/d）BIC (1)式中，VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)：d為半導(dǎo)體片的厚度。在式(1)中：若保持控制電流IC不變，在一定條件下?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系；根據(jù)這一關(guān)系式。人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件即霍爾器件。 22 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作

19、原理閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小，即 IBVH (2)式中，I為通過(guò)導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電壓。選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。對(duì)于霍爾輸出電壓VH的處理，人們

20、設(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類：一類為開環(huán)(或稱直測(cè)式、直檢式)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)(或稱零磁通式、磁平衡式)霍爾電流傳感器。針對(duì)霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度和線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為克服開環(huán)傳感器的缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京701廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)率先在國(guó)內(nèi)開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)

21、十幾年的努力，這種傳感器逐漸為國(guó)內(nèi)廣大用戶了解和應(yīng)用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的如圖2所示即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)。式(3)成立。 NIN =nIM (3)式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝；：IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由式(3)看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測(cè)量。3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能閉環(huán)霍爾電流傳感器是近十年來(lái)出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)，與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測(cè)量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：1)可以同時(shí)測(cè)量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖電流；2)副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV2kV；3)電流測(cè)量范圍寬(1mA50kA)；