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。如圖11所示。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：VHKHICBsin霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成的，即在載流導體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能。通過測量霍爾電勢的大小，間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過了電磁電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。2霍爾直流檢測原理如圖12所示。由于磁路與霍爾器件的

2、輸出具有良好的線性關系，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的大小，即：I1B1U0 我們把U0定標為當被測電流I1為額定值時的霍爾輸出電壓，U0等于50mV或100mV。這就制成霍爾直接檢測（無放大）電流傳感器。3霍爾磁補償原理原邊主回路有一被測電流I1，將產(chǎn)生磁通1，被副邊補償線圈通過的電流I2所產(chǎn)生的磁通2進行補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零磁通的作用。所以稱為霍爾磁補償電流傳感器。這種先進的原理模式優(yōu)于直檢原理模式，突出的優(yōu)點是響應時間快和測量精度高，特別適用于弱小電流的檢測。霍爾磁補償原理如圖13所示。從圖13知道：12 I1N1I2N2

3、 I2NI/N2I1當補償電流I2流過測量電阻Rm時，在Rm兩端轉(zhuǎn)換成電壓。做為傳感器測量電壓U0即：U0I2Rm按照霍爾磁補償原理制成了額定輸入從0.01A500A系列規(guī)格的電流傳感器。由于磁補償式電流傳感器必須在磁環(huán)上繞成千上萬匝的補償線圈，因而成本增加；其次，工作電流消耗也相應增加；但它卻具有直檢式不可比擬的較高精度和快速響應等優(yōu)點。4磁補償式電壓傳感器為了測量mA級的小電流，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mA級電流，而且可以測電壓。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

4、聯(lián)連接在被測電壓U1上，得到與被測電壓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。當補償電流I2流過測量電阻RM時，在RM兩端轉(zhuǎn)換成電壓作為傳感器的測量電壓U0，即 U0I2RM5電流傳感器的輸出直接檢測式（無放大）電流傳感器為高阻抗輸出電壓，在應用中，負載阻抗要大于10K，通常都是將其50mV或100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到4V或5V。圖51是兩個實用電路，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合。直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應用中，負載阻抗要大于2K。磁補償式電流、電壓磁補償式電流、電壓傳感器均為電流輸出

5、型。從圖13看出“M”端對電源“O”端為電流I2的通路。因此，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傳，并能保證精度，使用中，測量電阻RM只需設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：測量電阻的精度選擇，一般選金屬膜電阻，精度0.5，詳見表11，二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應大于測量電阻100倍以上。6取樣電壓與測量電阻的計算從前面公式知道U0I2RMRMU0/I2式中：U0測量電壓，又叫取樣電壓（V）I2副邊線圈補償電流（A）RM測量電阻（）計算時I2可以從磁補償式電流傳感器技術參數(shù)表中查出與被測電流（額定有效值）I1相對應的輸出電流（額定有

6、效值）I2。假如要將I2變換成U05V，RM選擇詳見表11。7飽和點與最大被測電流的計算從圖13可知輸出電流I2的回路是：V+末級功放管集射極N2RM0，回路等效電阻如圖16。（V-0的回路相同，電流相反）當輸出電流I2最大值時，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。按下式計算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（），詳見表，12RM測量電阻（）從計算可知改變測量電阻RM，飽和點隨之也改變。當被測電阻RM確定后，也就有了確定的飽和點。根據(jù)下式計算出最大被測電流I1max：I1maxI

7、1/I2I2max在測量交流或脈沖時，當RM確定后，要計算出最大被測電流I1MAX，如果I1max值低于交流電流峰值或低于脈沖幅值，將會造成輸出波形削波或限幅現(xiàn)象，此種情況可將RM選小一些來解決。8計算舉例：舉例1以電流傳感器LT100P為例：（1） 要求測量額定電流：直流100A最大電流：直流200A（過載時間1分鐘/小時）（2） 查表，知工作電壓：穩(wěn)壓15V，線圈內(nèi)阻20（詳見表12）輸出電流：0.1A（額定值）（3） 要求取樣電壓：5V計算測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）從以上計算結果得知滿足（1）、（3）的要求。9磁補償式電壓傳感器說明與舉例LV50P型電壓傳感器原邊與副邊抗電強度4000VRMS（50Hz.1min），用以測量直流、交流、脈沖電壓。在測量電壓時，根據(jù)電壓額定值，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/R1I1、R1U1/10mA（K），電阻的功率要大于計算值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表示負載電阻。（3） 磁補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，以免接線錯誤。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，實物外殼上也標明了電流正方向，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、運放、末級功率管，都需要工作電源，并且還有功耗，圖110是實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（無放大）耗電：最大5mA；直檢放大式耗電：最大20mA；磁補償式耗電：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算出功耗。12電流電壓傳感器使用注意事項（1）電流傳感器必須根據(jù)被測電流的額定有效值適當選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補償式），一般情況下，

11、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流，在一般情況下，2倍的過壓持續(xù)時間不得超過1分鐘。（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當被測電流高于電流傳感器的額定值時，應選用相應大的傳感器；當被測電壓高于電壓傳感器的額定值時，應重新調(diào)整限流電阻。當被測電流低于額定值1/2以下時，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）在要求得到良好動態(tài)特性的裝置上使用時，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)，均會影響動態(tài)特性。（6）在大電流直流系統(tǒng)中使用時，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）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器510cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線時，相間距離應大于510cm。（8）為了使傳感器工作在最佳測量狀態(tài)，應使用圖110介紹的簡易典型穩(wěn)壓電源。（9）傳感器的磁飽和點和電路飽和點，使其有很強的過載能力，但過載能力是

13、有時間限制的，試驗過載能力時，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過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。在進口設備的再改造中，以及老舊設備的技術改造中，顯示出非接觸測量的優(yōu)越性；原有設備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數(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，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)字萬用表，接上工作電源，將傳感器套在電線回路上，即可準確顯示主回路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，工作時存在激磁電流，所以這是電感性器件，使它在響應時間上只能做到數(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

15、壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優(yōu)點，又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺陷，給微機檢測等自動化管理系統(tǒng)提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換的機會。在使用中，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置，數(shù)字信號送給計算機接口。 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)的檢測元件受規(guī)定頻率、規(guī)定波形，響應滯后等很多因素的限制，不能適應大功率變流技術的發(fā)展，應運而產(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，使裝置設計者得心應手，這將是電子電力技術史上劃時代的根本性變革。閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應用地面車用電源系統(tǒng)(以下簡稱電源系統(tǒng))的輸出電流的撿測與控制直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，影響車輛用電負載的運行狀況及車輛的可靠性，由于車用電源的負載常常因為車輛的復雜使用條件而導致負載變化較大，電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對電源的輸出電流不加限制會造成電源因過載而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴重情況下會導致電源的永久失效。閉環(huán)霍爾電流傳感器(以下簡稱傳感器)在車用電源系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)了對電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測量

17、即傳感器的輸出信號與電源的輸出電流完全電氣隔離，有利于傳感器輸出信號的調(diào)整處理，通過調(diào)整和設定該信號，反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設計功率輸出時，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，保護電源系統(tǒng)不會因用電負載的變化而損壞。2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理1879年，美國物理學家Edwim Herbert Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，此后，霍爾技術越來越多地應用于工業(yè)控制的各個領域。進入20世紀80年代，隨著電子元器件制造技術的發(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，大大擴展了該產(chǎn)品的應用領域。21 霍爾效應與霍爾

18、器件霍爾效應是霍爾器件的理論基礎。如圖1所示，當把通有小電流的半導體薄片置于磁場中時，半導體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓VH，這個VH電壓與磁感應強度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算得到如下等式關系：VH=（RH/d）BIC (1)式中，VH為霍爾電壓；B為磁感應強度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)：d為半導體片的厚度。在式(1)中：若保持控制電流IC不變，在一定條件下。可通過測量霍爾電壓推算出磁感應強度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯(lián)系；根據(jù)這一關系式。人們研制了用于測量磁場的半導體器件即霍爾器件。 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(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小，即 IBVH (2)式中，I為通過導線中的電流；B為導線通電流后產(chǎn)生的磁感應強度；VH為霍爾器件在磁場中產(chǎn)生的霍爾電壓。選擇適當?shù)谋壤禂?shù)，上述關系可表示為等式。對于霍爾輸出電壓VH的處理，人們

20、設計了許多種電路，但總體來講可分為兩類：一類為開環(huán)(或稱直測式、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算放大器直接放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標定原邊被測電流的大小，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)點是電路形式簡單、成本相對較低；其缺點是精度和線性度較差，響應時間較慢，溫度漂移較大。為克服開環(huán)傳感器的缺點，20世紀80年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京701廠引進國外技術率先在國內(nèi)開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過

21、十幾年的努力，這種傳感器逐漸為國內(nèi)廣大用戶了解和應用。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)生的磁場通過一個副邊線圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場進行補償使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達到平衡時。式(3)成立。 NIN =nIM (3)式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝；：IM為副邊補償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由式(3)看出，當已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實現(xiàn)原邊電流的隔離測量。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出現(xiàn)的高技術模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時，與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測量方法相比亦有許多優(yōu)點。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點：1)可以同時測量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖電流；2)副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV2kV；3)電流測量范圍寬(1mA50kA)；