霍爾電流傳感器的原理

 

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?；魻栯妱軻H的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即：VH=KHICBsinΘ?；魻栯娏鱾鞲衅魇前凑栈魻栃?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。

 

工作原理

 

1、 直放式（開環(huán)）電流傳感器（CS系列）

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

當(dāng)原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為4V。

 

2、磁平衡式（閉環(huán)）電流傳感器（CSM系列）

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。

 

具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過Is來測試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。

 

3、霍爾電壓（閉環(huán)）傳感器（VSM系列）

 

 

霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)式電流傳感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原邊電壓VP通過限流電阻Ri產(chǎn)生電流，流過原邊線圈產(chǎn)生磁場，聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件輸出信號控制的補(bǔ)償電流IS流過副邊線圈產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流IS精確的反映原邊電壓VP。

 

4、交流電流傳感器（A-CS系列）

 

交流電流傳感器主要測量交流信號燈電流。是將霍爾感應(yīng)出的交流信號經(jīng)過AC-DC及其他轉(zhuǎn)換，變?yōu)?～4V、0～20mA（或4～20mA）的標(biāo)準(zhǔn)直流信號輸出供各種系統(tǒng)使用。

 

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。

 

霍爾傳感器的磁飽和問題

 

許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料的也將無磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個重要優(yōu)點(diǎn)來宣傳?；魻栯娏鱾鞲衅鞑粫l(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

 

事實(shí)是不是這樣呢？

 

事實(shí)上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會發(fā)生磁飽和！

 

1、開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

 

下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

 

圖中，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’a為飽和區(qū)。眾所周期，為了獲取較好的測量結(jié)果，不論是開環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會將磁化曲線中線性度較好的一段作為工作區(qū)間。換言之，只要磁感應(yīng)強(qiáng)度超出線性區(qū)域一定的范圍，就會發(fā)生磁飽和。

 

與電磁式互感器相比，開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和原因只有一個，就是原邊電流足夠大。

 

不會因?yàn)殡娏黝l率低導(dǎo)致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點(diǎn)。

 

相比之下，電磁式互感器也有一個優(yōu)點(diǎn)，就是二次負(fù)荷足夠小時(shí)，即便過載較多，也不會發(fā)生磁飽和。

 

2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

 

開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題較簡單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題似乎不可理解，因?yàn)殚]環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時(shí)，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會飽和。

 

然而，這只能將是在正常工作條件下！

 

事實(shí)上，即便是電磁式電流互感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題都是發(fā)生在過載，頻率過低，負(fù)荷過大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會發(fā)生磁飽和！

 

從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個零磁通呢？

 

顯然不是！

 

A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個開環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會發(fā)生磁飽和。

 

B、正常供電，原邊電流過大。這是因?yàn)槎窝a(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時(shí)，磁平衡被打破，磁芯中有磁場通過，原邊電流繼續(xù)加大時(shí)，磁芯中磁場也隨著增大，原邊電流足夠大時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)！

 

與電磁式電流互感器及開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會發(fā)生，使用不當(dāng)或長時(shí)間過載，也會發(fā)生磁飽和。

 

 

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