霍爾電流傳感器

Hall Current Sensor

Hall current transducer

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，對安培定律加以應(yīng)用，即在載流導(dǎo)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(dǎo)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。

由于磁路與霍爾器件的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U0可以間接反映出被測電流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

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

原邊主回路有一被測電流I1，將產(chǎn)生磁通Φ1，被副邊補(bǔ)償線圈通過的電流I2所產(chǎn)生的磁通Φ2進(jìn)行補(bǔ)償后保持磁平衡狀態(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)間快和測量精度高，特別適用于弱小電流的檢測。

知道：Φ1=Φ2

I1N1=I2N2

I2=NI/N2·I1

當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時(shí)，在RM兩端轉(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)。

為了測量mA級的小電流，根據(jù)Φ1=I1N1，增加N1的匝數(shù)，同樣可以獲得高磁通Φ1。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(shí)，電壓傳感器的原邊多匝繞組通過串聯(lián)一個(gè)限流電阻R1，然后并聯(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。副邊原理同電流傳感器一樣。當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時(shí)，在RM兩端轉(zhuǎn)換成電壓作為傳感器的測量電壓U0，即 U0=I2RM

直接檢測式（無放大）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(yīng)用中，負(fù)載阻抗要大于2KΩ。

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型?！癕”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(yuǎn)傳，并能保證精度，使用中，測量電阻RM只需設(shè)計(jì)在二次儀表輸入或終端控制板接口上。

為了保證高精度測量要注意：①測量電阻的精度選擇，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倍以上。

從前面公式知道

U0=I2RM

RM=U0/I2

式中：U0－測量電壓，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(jì)算時(shí)I2可以從磁補(bǔ)償式電流傳感器技術(shù)參數(shù)表中查出與被測電流（額定有效值）I1相對應(yīng)的輸出電流（額定有效值）I2。假如要將I2變換成U0=5V，RM選擇詳見表1－1。

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。（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

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），詳見表，1－2。

RM－測量電阻（Ω）。

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

在測量交流或脈沖時(shí)，當(dāng)RM確定后，要計(jì)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。

電壓傳感器原邊與副邊抗電強(qiáng)度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以測量直流、交流、脈沖電壓。在測量電壓時(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(jì)算值2～4倍，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。

（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。

（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。

（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)重要的。

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

（1） 輸出地端集中接大電解上以利降噪。

（2） 電容位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(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。

（1）非接觸檢測。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，顯示出非接觸測量的優(yōu)越性；原有設(shè)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(shí)帶有不可避免的電感性，不能真實(shí)傳遞被測電流波形，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LT100－C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(zhǔn)確顯示主回路0～100A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(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)檢測等自動化管理系統(tǒng)提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換的機(jī)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(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(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。

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

2. 響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時(shí)間只為1us。

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

4. 線性度好：優(yōu)于0.2%

5. 動態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間快，可小于1us;普通互感器的響應(yīng)時(shí)間為10~20ms。

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

7. 可靠性高，平均無故障工作時(shí)間長：平均無故障時(shí)間>5 10 小時(shí)

8. 過載能力強(qiáng)、測量范圍大：0---幾十安培~上萬安培

9. 體積小、重量輕、易于安裝。

由于霍爾電流電壓傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。

性能指標(biāo)：

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

* 輸入范圍：0~800A內(nèi)可選 如0~100 A，0~500A等

* 精度等級：≤1.0%.F.S

* 線 性 度：優(yōu)于0.2%

*響應(yīng)時(shí)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：輸入/輸出/外殼間 AC2.0KV/min*1mA

* 過載能力：2倍電流連續(xù)，30倍1秒

* 阻燃特性：UL94-V0

* 工作環(huán)境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

* 貯存環(huán)境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

1.原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，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.需要測量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的傳感器，而欲測量的電流值又低于額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞十圈(一般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，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(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。

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)別不大，基本的優(yōu)點(diǎn)在于：響應(yīng)時(shí)間快、低溫漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、過載能力強(qiáng)。

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置，由信號采集裝置經(jīng)過采集、信號轉(zhuǎn)換等步驟，有線傳輸至控制中心，由控制中心統(tǒng)一對各個(gè)陣列的發(fā)電情況進(jìn)行監(jiān)控。

霍爾電流傳感器如何選型

A.選擇電流傳感器時(shí)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(shí)需要注意現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境是否有高溫、低溫、高潮濕、強(qiáng)震等特殊環(huán)境；

C.選擇電流傳感器時(shí)需要注意空間結(jié)構(gòu)是否滿足。

霍爾電流傳感器使用須知

A.接線時(shí)注意接線端子的裸露導(dǎo)電部分，盡量防止ESD沖擊，需要有專業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)的工程師才能對該產(chǎn)品進(jìn)行接線操作。電源、輸入、輸出的各連接導(dǎo)線必須正確連接，不可錯(cuò)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)電塵埃及腐蝕性。

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

霍爾電流傳感器注意事項(xiàng)

（1）電流傳感器必須根據(jù)被測電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測電流長時(shí)間超額，會損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，2倍的過載電流持續(xù)時(shí)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(gè)限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續(xù)時(shí)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(dāng)被測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(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)，均會影響動態(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）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個(gè)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(shí)，相間距離應(yīng)大于5～10cm。

（8）為了使傳感器工作在最佳測量狀態(tài)，應(yīng)使用介紹的簡易典型穩(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)的過載能力，但過載能力是有時(shí)間限制的，試驗(yàn)過載能力時(shí)，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。

開環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。所以閉環(huán)的在響應(yīng)時(shí)間跟精度上要比開環(huán)的好很多。開環(huán)和閉環(huán)都可以監(jiān)測交流電，一般開環(huán)的適用于大電流監(jiān)測，閉環(huán)適用于小電流監(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(shí)，在導(dǎo)線四周將會產(chǎn)生一個(gè)磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，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。這一信號經(jīng)信號放大器放大后直接輸出，霍爾器件輸出的信號準(zhǔn)確反映了原邊電流的輸出情況。

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

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作過程：

當(dāng)原邊電流IP產(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)償電流，用于抵消原邊電流(IP)產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零?；魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補(bǔ)償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小。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。

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)定性、降低工作電壓、微功耗；其次是敏感元件及其處理電路集成化、小型化；第三必須做到功能多樣化，同一種敏感機(jī)理的敏感器，引用和融合了電子技術(shù)其他分支的相關(guān)成熟技術(shù)，可形成新功能或復(fù)合功能的新型品種；最后要便于組網(wǎng)，傳感器捕獲的信息便于與其上層、下層機(jī)接口和有線或無線傳輸，以利執(zhí)行、保存、處理。