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電流霍爾傳感�
閱讀�4034時間�2017-07-04 10:51:12

    霍爾電流傳感�基于磁平衡式霍爾原理,根�(jù)霍爾效應(yīng)原理,從霍爾元件的控制電流端通入電流Ic,并在霍� 元件平面的法線方向上施加磁場 �(qiáng)度為B的磁�,那么在垂直� 電流和磁場方�(即霍爾輸出端 之間),將�(chǎn)生一個電勢VH,稱 其為霍爾電勢,其大小正比于控 制電流I。與磁場�(qiáng)度B的乘積� 即有式中:K為霍爾系�(shù),由霍爾元件的材料決�;I。為控制電流;B為磁場強(qiáng)�; VH為霍爾電勀�

英文解釋

    Hall Current Sensor

    Hall current transduce

基本原理

    霍爾器件是一種采用半�(dǎo)體材料制成的磁電�(zhuǎn)換器�。如果在輸入端通入控制電流IC,當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面,則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢VH�

    霍爾電勢VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比,即:VH=KHICBsinΘ

    霍爾電流傳感器是按照霍爾效應(yīng)原理制成,對安培定律加以�(yīng)�,即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁�,而霍爾器件則用來測量這一磁場。因�,使電流的非接觸測量成為可能�

    通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導(dǎo)體電流的大小。因�,電流傳感器�(jīng)過了電-磁-電的絕緣隔離�(zhuǎn)��

檢測原理

    由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)�,因此霍爾器件輸出的電壓訊號U0可以間接反映出被測電流I1的大�,即:I1∝B1∝U0

    我們把U0定標(biāo)為當(dāng)被測電流I1為額定值時,U0等于50mV�100mV。這就制成霍爾直接檢測(無放大)電流傳感器�

�(bǔ)償原�

    原邊主回路有一被測電流I1,將�(chǎn)生磁通�1,被副邊�(bǔ)償線圈通過的電流I2所�(chǎn)生的磁通�2�(jìn)行補(bǔ)償后保持磁平衡狀�(tài),霍爾器件則始終處于檢測零磁通的作用。所以稱為霍爾磁�(bǔ)償電流傳感器。這種先�(jìn)的原理模式優(yōu)于直檢原理模�,突出的�(yōu)�(diǎn)是響�(yīng)時間快和測量精度�,特別適用于弱小電流的檢��

    知道:�1=Φ2

    I1N1=I2N2

    I2=NI/N2·I1

    �(dāng)�(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時,在RM兩端�(zhuǎn)換成電壓。做為傳感器測量電壓U0即:U0=I2RM

    按照霍爾磁補(bǔ)償原理制成了額定輸入從~系列�(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)上繞成千上萬匝的�(bǔ)償線�,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�(yīng)等優(yōu)�(diǎn)�

�(fā)�

    霍爾電流傳感器要想得到發(fā)展。首先就要提高靈敏度、惡劣條件下的穩(wěn)定�、降低工作電�、微功�;其次是敏感元件及其處理電路集成�、小型化;第三必須做到功能多樣化,同一種敏感機(jī)理的敏感�,引用和融合了電子技�(shù)其他分支的相�(guān)成熟技�(shù),可形成新功能或�(fù)合功能的新型品種;要便于組網(wǎng),傳感器捕獲的信息便于與其上�、下層機(jī)接口和有線或無線傳輸,以利執(zhí)�、保�、處理�

測電�

    為了測量mA級的小電�,根�(jù)Φ1=I1N1,增加N1的匝�(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mA級電流,而且可以測電��

    與電流傳感器所不同的是在測量電壓時,電壓傳感器的原邊多匝繞組通過串聯(lián)一個限流電阻R1,然后并�(lián)連接在被測電壓U1�,得到與被測電壓U1成比例的電流I1。副邊原理同電流傳感器一�。當(dāng)�(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時,在RM兩端�(zhuǎn)換成電壓作為傳感器的測量電壓U0,即 U0=I2RM

輸出

    直接檢測式(無放大)電流傳感器為高阻抗輸出電�,在�(yīng)用中,負(fù)載阻抗要大于10KΩ,通常都是將其±50mV或�100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到�4V或�5V� (a� 圖可滿足一般精度要�;(b)圖性能較好,適用于精度要求高的場合�

    直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在�(yīng)用中,負(fù)載阻抗要大于2KΩ�

    磁補(bǔ)償式電流、電壓磁�(bǔ)償式電流、電壓傳感器均為電流輸出�。從�1�3看出“M”端對電源“O�

    端為電流I2的通路。因�,傳感器從“M”端輸出的信號為電流信號。電流信號可以在一定范圍遠(yuǎn)�,并能保證精度,使用�,測量電阻RM只需�(shè)計在二次儀表輸入或終端控制板接口上�

    為了保證高精度測量要注意:①測量電阻的精度選�,一般選金屬膜電阻,精度≤�0.5%,詳見表1�1,②二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應(yīng)大于測量電阻100倍以��

電壓電阻

    從前面公式知�

    U0=I2RM

    RM=U0/I2

    式中:U0-測量電�,又叫取樣電壓(V)�

    I2-副邊線圈補(bǔ)償電流(A��

    RM-測量電阻(Ω��

    計算時I2可以從磁�(bǔ)償式電流傳感器技�(shù)參數(shù)表中查出與被測電流(額定有效值)I1相對�(yīng)的輸出電流(額定有效值)I2。假如要將I2變換成U0=5V,RM選擇詳見�1�1�

電流計算

    從圖1�3可知輸出電流I2的回路是:V+→末級功放管集射極→N2→RM�0,回路等效電阻如�1�6。(V-�0的回路相�,電流相反)

    �(dāng)輸出電流I2值時,電流值不再跟著I1的增加而增�,我們稱為傳感器的飽和點(diǎn)�

    按下式計�

    I2max=V+-VCES/RN2+RM

    式中:V+-正電源(V��

    VCES-功率管集射飽和電壓,(V)一般為0.5V�

    RN2-副邊線圈直流內(nèi)阻(Ω),詳見��1�2�

    RM-測量電阻(Ω��

    從計算可知改變測量電阻RM,飽和點(diǎn)隨之也改�。當(dāng)被測電阻RM確定后,也就有了確定的飽和點(diǎn)。根�(jù)下式計算出被測電流I1max:I1max=I1/I2·I2max

    在測量交流或脈沖�,當(dāng)RM確定�,要計算出被測電流I1MAX,如果I1max值低于交流電流峰值或低于脈沖幅�,將會造成輸出波形削波或限幅現(xiàn)�,此種情況可將RM選小一些來解決�

舉例說明

    電壓傳感器原邊與副邊抗電�(qiáng)度≥4000VRMS�50Hz.1min�,用以測量直�、交�、脈沖電�。在測量電壓時,根據(jù)電壓額定�,在原邊+HT端串一限流電阻,即被測電壓通過電阻得到原邊電流

    U1/R1=I1、R1=U1/10mA(KΩ�,電阻的功率要大于計算�2�4�,電阻的精度≤�0.5%。R1精密線繞功率電阻,可由廠方代訂�

    電流傳感器的接線方法

    �1� 直檢式(無放大)電流傳感器接線圖如圖1�7所��

    (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.、VN表示霍爾輸出電壓�

    �2� 直檢放大式電流傳感器接線圖如�1�8所示�

    (a� 圖是P型接�,(b)圖是C型接法,圖中U0表示輸出電壓,RL表示�(fù)載電阻�

    �3� 磁補(bǔ)償式電流傳感器接線圖如圖1�9所��

    (a� 圖是P型接�,(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物的排列方法是一致的,插座插頭接法同實物的排列方法也是一致的,以免接線錯��

    在以上接線圖上,主回路被測電流I1在穿孔中有一箭頭示出了電流正方向,實物外殼上也標(biāo)明了電流正方�,這是電流傳感器規(guī)定了被測電流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量中是致關(guān)重要��

工作電源

    電流傳感器是一種有源模塊,如霍爾器�、運(yùn)放、末級功率管,都需要工作電�,并且還有功耗,�1�10是實用的典型工作電源原理��

    �1� 輸出地端集中接大電解上以利降��

    �2� 電容位uF,二極管�1N4004�

    �3� 變壓器根�(jù)傳感器功耗而定�

    �4� 傳感器的工作電流�

    直檢式(無放大)耗電�5mA;直檢放大式耗電:�20mA;磁�(bǔ)償式耗電�20+輸出電流;消耗工作電�20+輸出電流�2倍。根�(jù)消耗工作電流可以計算出功��

�(yōu)越�

    �1)非接觸檢測。在�(jìn)口設(shè)備的再改造中,以及老舊�(shè)備的技�(shù)改造中,顯示出非接觸測量的�(yōu)越�;原有設(shè)備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的�(shù)��

    �2)使用分流器的弊端是不能電隔�,且還有插入損�,電流越�,損耗越大,體積也越�,人們還�(fā)�(xiàn)分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性,不能真實傳遞被測電流波形,更不能真實傳遞非正弦波�。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊�,且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣,如精�0.5�1.0級,輸出電壓50�75mV�100mV均可�

    �3)使用非常方�,取一只LT100-C型電流傳感器,在M端與電源零端串入一�100mA的模擬表頭或�(shù)字萬用表,接上工作電源,將傳感器套在電線回路�,即可準(zhǔn)確顯示主回路0�100A電流��

    �4)傳�(tǒng)的電流電壓互感器,雖然工作電流電壓等級多,在�(guī)定的正弦工作頻率下有較高的精�,但它能適合的頻帶非常窄,且不能傳遞直流。此�,工作時存在激磁電流,所以這是電感性器件,使它在響�(yīng)時間上只能做到數(shù)十毫�。眾所周知的電流互感器二次�(cè)一旦開路將�(chǎn)生高壓危�。在使用微機(jī)檢測中需信號的多路采集,人們正尋求能隔離又能采集信號的方法。電流電壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的�(yōu)�(diǎn),又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺�,給微機(jī)檢測等自動化管理系統(tǒng)提供了模�(shù)�(zhuǎn)換的�(jī)會。在使用�,傳感器輸出信號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,模擬信號送給自動化裝�,數(shù)字信號送給計算�(jī)接口�

    �3KV以上的高壓系�(tǒng),電�、電壓傳感器都能與傳�(tǒng)的高壓互感器配合,替代傳�(tǒng)的電量變送器,為模數(shù)�(zhuǎn)換提供方��

    �5)傳�(tǒng)的檢測元件受�(guī)定頻�、規(guī)定波形,響應(yīng)滯后等很多因素的限制,不能適�(yīng)大功率變流技�(shù)的發(fā)�,應(yīng)�(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�(zhuǎn)換器組合成為一體化的變送器,已成為人們熟知檢測模�。另�,電子電力裝置向高頻�、模塊化、組件化、智能化�(fā)�,使裝置�(shè)計者得心應(yīng)手,這將是電子電力技�(shù)史上劃時代的根本性變��

    1. 測量范圍廣:它可以測量任意波形的電流和電壓,如直�、交�、脈�、三角波形等,甚至對瞬態(tài)峰值電�、電壓信號也能忠實地�(jìn)行反�;

    2. 響應(yīng)速度快:最快者響�(yīng)時間只為1us�

    3. 測量精度高:其測量精度優(yōu)�1%,該精度適合于對任何波形的測�。普通互感器是感性元件,接入后影響被測信號波�,其一般精度為3%~5%,且只適合于50Hz 正弦波形�

    4. 線性度好:�(yōu)�0.2%

    5. 動態(tài)性能好:響應(yīng)時間�,可小于1us;普通互感器的響�(yīng)時間�10~20ms�

    6. 工作頻帶寬:�0~100KHz 頻率范圍�(nèi)的信號均可以測量�

    7. 可靠性高,平均無故障工作時間長:平均無故障時�>5 10 小時

    8. 過載能力�(qiáng)、測量范圍大�0---幾十安培~上萬安培

    9. 體積�、重量輕、易于安��

    由于霍爾電流電壓傳感器以上的�(yōu)�(diǎn),故而可廣泛�(yīng)用與變頻�(diào)速裝�、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電�、數(shù)控機(jī)床、微�(jī)�(jiān)測系�(tǒng)、電�(wǎng)�(jiān)控系�(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(lǐng)域中�

    性能指標(biāo)�

    * �(zhí)行標(biāo)�(zhǔn):IEC688�1992,QB

    * 輸入范圍�0~800A�(nèi)可選 �0~100 A�0~500A�

    * 精度等級:≤1.0%.F.S

    * � � 度:�(yōu)�0.2%

    *響應(yīng)時間:≤1Us

    * 頻率特性:0~100KHz

    * 失調(diào)電壓:≤20mV

    * 溫度特性:�150PPM/�(0~50�)

    * 整機(jī)功耗:�30 mA+Ig

    * 隔離耐壓:輸�/輸出/外殼� AC2.0KV/min*1mA

    * 過載能力�2倍電流連續(xù)�30�1�

    * 阻燃特性:UL94-V0

    * 工作�(huán)境:-10℃~50��20%~90%無凝�

    * 貯存�(huán)境:-40℃~70℃,20%~95%無凝�

測量方法

    1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器�(nèi)孔中�,盡可能不要放偏;

    2、原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔,不要留有空隙;

    3、需要測量的電流�(yīng)接近于傳感器的標(biāo)�(zhǔn)額定值IPN,不要相差太�。如條件所�,手頭僅有一個額定值很高的傳感�,而欲測量的電流值又低于額定值很�,為了提高測量精�,可以把原邊�(dǎo)線多繞幾�,使之接近額定�。例如當(dāng)用額定�100A的傳感器去測�10A的電流時,為提高精度可將原邊�(dǎo)線在傳感器的�(nèi)孔中心繞十圈(一般情況,NP=1;在內(nèi)孔中繞一�,NP=2;…�;繞九圈,NP=10,則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等,從而可提高精度);

    4、當(dāng)欲測量的電流值為IPN/10的時,在25℃仍然可以有較高的精度�

特點(diǎn)

    霍爾傳感器不論是開環(huán)還是閉環(huán)原理,基本的性能區(qū)別不�,基本的�(yōu)�(diǎn)在于:響�(yīng)時間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力�(qiáng)、過載能力強(qiáng)�

�(yīng)用方�

    基本是HIA-C01和HIB-C15兩種閉環(huán)原理的霍爾電流傳感器較多,基本應(yīng)用方式是HIA-C01霍爾電流傳感器檢測前端每一塊電池板的發(fā)電情況,輸出信號給信號采集裝�,由信號采集裝置�(jīng)過采�、信號轉(zhuǎn)換等步驟,有線傳輸至控制中心,由控制中心�(tǒng)一對各個陣列的�(fā)電情況�(jìn)行監(jiān)控�

注意事項

    如何選型

    A、選擇電流傳感器時需要注意穿孔尺寸是否能夠保證電線可以穿過傳感器�

    B、選擇電流傳感器時需要注意現(xiàn)場的�(yīng)用環(huán)境是否有高溫、低�、高潮濕、強(qiáng)震等特殊�(huán)境;

    C、選擇電流傳感器時需要注意空間結(jié)�(gòu)是否滿足�

    使用須知

    A、接線時注意接線端子的裸露導(dǎo)電部�,盡量防止ESD沖擊,需要有施工�(jīng)驗的工程師才能對該產(chǎn)品�(jìn)行接線操�。電源、輸�、輸出的各連接�(dǎo)線必須正確連接,不可錯位或反接,否則可能導(dǎo)致產(chǎn)品損壞�

    B、產(chǎn)品安裝使用環(huán)境應(yīng)無導(dǎo)電塵埃及腐蝕�

    C、劇烈震動或高溫也可能導(dǎo)致產(chǎn)品損�,必須注意使用場合�

    注意事項

    �1)電流傳感器必須根據(jù)被測電流的額定有效值適�(dāng)選用不同的規(guī)格的�(chǎn)�。被測電流長時間超額,會損壞末極功放管(指磁�(bǔ)償式�,一般情況下�2倍的過載電流持續(xù)時間不得超過1分鐘�

    �2)電壓傳感器必須按產(chǎn)品說明在原邊串入一個限流電阻R1,以使原邊得到額定電�,在一般情況下�2倍的過壓持續(xù)時間不得超過1分鐘�

    �3)電流電壓傳感器的精度是在原邊額定值條件下得到�,所以當(dāng)被測電流高于電流傳感器的額定值時,應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器;�(dāng)被測電壓高于電壓傳感器的額定值時,應(yīng)重新�(diào)整限流電�。當(dāng)被測電流低于額定�1/2以下�,為了得到精�,可以使用多繞圈�(shù)的辦法�

    �4)絕緣耐壓�3KV的傳感器可以長期正常工作�1KV及以下交流系�(tǒng)�1.5KV及以下直流系�(tǒng)��6KV的傳感器可以長期正常工作�2KV及以下交流系�(tǒng)�2.5KV及以下直流系�(tǒng)中,注意不要超壓使用�

    �5)在要求得到良好動態(tài)特性的裝置上使用時,用單根銅鋁母排并與孔徑吻合,以大代小或多繞圈數(shù),均會影響動�(tài)特��

    �6)在大電流直流系�(tǒng)中使用時,因某種原因造成工作電源開路或故�,則鐵心�(chǎn)生較大剩磁,是值得注意�。剩磁影響精�。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��

    �7)傳感器抗外磁場能力為:距離傳感�5�10cm一個超過傳感器原邊電流�2倍的電流,所�(chǎn)生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線�,相間距離應(yīng)大于5�10cm�

    �8)為了使傳感器工作在測量狀�(tài),應(yīng)使用�1�10介紹的簡易典型穩(wěn)壓電��

    �9)傳感器的磁飽和�(diǎn)和電路飽和點(diǎn),使其有很強(qiáng)的過載能�,但過載能力是有時間限制的,試驗過載能力��2倍以上的過載電流不得超過1分鐘�

    �10)原邊電流母線溫度不得超�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�

工作過程

    開環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原�,閉�(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原�。所以閉�(huán)的在響應(yīng)時間跟精度上要比開環(huán)的好很多。開�(huán)和閉�(huán)都可以監(jiān)測交流電,一般開�(huán)的適用于大電流監(jiān)�,閉�(huán)適用于小電流�(jiān)測�

    開環(huán)式霍爾傳感器的工作過程:

    原邊電流(Ip)通過一根導(dǎo)線時,在�(dǎo)線四周將會產(chǎn)生一個磁場,這一磁場的大小與流過�(dǎo)線的電流成正�,它能通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號輸出。這一信號�(jīng)信號放大器放大后直接輸出,霍爾器件輸出的信號�(zhǔn)確反映了原邊電流的輸出情��

    �(yōu)�(diǎn):封裝尺寸小 ,測量范圍廣 ,重量輕,低電源損�,無插損

    閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作過程�

    �(dāng)原邊電流IP�(chǎn)生的磁通通過磁芯集中在磁路中,霍爾器件固定在氣隙中檢測磁通,通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電�,用于抵消原邊電�(IP)�(chǎn)生的磁�,使得磁路中磁通始終保持為�。霍爾器件和輔助電路�(chǎn)生的副邊�(bǔ)償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大�。經(jīng)過特殊電路的處理,傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化�

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