霍爾電流傳感器的原理

 

霍爾器件是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢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碇瞥?，對安培定律加以應用，即在載流導體周?chē)a(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來(lái)測量這一磁場(chǎng)。因此，使電流的非接觸測量成為可能。通過(guò)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(guò)了電－磁－電的絕緣隔離轉換。

 

工作原理

 

1、 直放式（開(kāi)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(wèn)題

 

當原邊電流IP流過(guò)一根長(cháng)導線(xiàn)時(shí)，在導線(xiàn)周?chē)鷮a(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內，通過(guò)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(wèn)題

 

磁平衡式電流傳感器也稱(chēng)補償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級線(xiàn)圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補償，其補償電流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(guò)程為：當主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導線(xiàn)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅動(dòng)功率管并使其導通，從而獲得一個(gè)補償電流Is。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(guò)Is來(lái)測試Ip。當Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復上述過(guò)程重新達到平衡。被測電流的任何變化都會(huì )破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應的電流流過(guò)次級繞組以對失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。因此，從宏觀(guān)上看，次級的補償電流安匝數在任何時(shí)間都與初級被測電流的安匝數相等。

 

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(guò)限流電阻Ri產(chǎn)生電流，流過(guò)原邊線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，聚集在磁環(huán)內，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件輸出信號控制的補償電流IS流過(guò)副邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補償，其補償電流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。是將霍爾感應出的交流信號經(jīng)過(guò)AC-DC及其他轉換，變?yōu)?～4V、0～20mA（或4～20mA）的標準直流信號輸出供各種系統使用。

 

工作過(guò)程

 

開(kāi)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)的在響應時(shí)間跟精度上要比開(kāi)環(huán)的好很多。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)都可以監測交流電，一般開(kāi)環(huán)的適用于大電流監測，閉環(huán)適用于小電流監測。

 

開(kāi)環(huán)式霍爾傳感器的工作過(guò)程：

 

原邊電流（Ip）通過(guò)一根導線(xiàn)時(shí)，在導線(xiàn)四周將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流成正比，它能通過(guò)磁芯聚集感應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(wú)插損

 

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作過(guò)程：

 

當原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過(guò)磁芯集中在磁路中，霍爾器件固定在氣隙中檢測磁通，通過(guò)繞在磁芯上的多匝線(xiàn)圈輸出反向的補償電流，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)生的副邊補償電流準確反映了原邊電流的大小。經(jīng)過(guò)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(wèn)題

 

許多霍爾電流傳感器廠(chǎng)家在其技術(shù)資料的也將無(wú)磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)來(lái)宣傳?；魻栯娏鱾鞲衅鞑粫?huì )發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應用以來(lái)就得到廣泛認可的主要優(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(xiàn)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(huì )發(fā)生磁飽和！

 

1、開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

 

下圖為所有高導磁材料的典型磁化曲線(xiàn)示意圖：

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問(wèn)題

 

 

圖中，Oa’為起始非線(xiàn)性段，a’a’’為線(xiàn)性段，a’’a為飽和區。眾所周期，為了獲取較好的測量結果，不論是開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會(huì )將磁化曲線(xiàn)中線(xiàn)性度較好的一段作為工作區間。換言之，只要磁感應強度超出線(xiàn)性區域一定的范圍，就會(huì )發(fā)生磁飽和。

 

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

 

不會(huì )因為電流頻率低導致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，也是開(kāi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是二次負荷足夠小時(shí)，即便過(guò)載較多，也不會(huì )發(fā)生磁飽和。

 

2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

 

開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題較簡(jiǎn)單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題似乎不可理解，因為閉環(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(huì )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(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題都是發(fā)生在過(guò)載，頻率過(guò)低，負荷過(guò)大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會(huì )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償繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以抵消原邊導體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的前提下。那么，當閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個(gè)零磁通呢？

 

顯然不是！

 

A、傳感器未供電的情況下，副邊補償繞組不產(chǎn)生電流，此時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當于一個(gè)開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會(huì )發(fā)生磁飽和。

 

B、正常供電，原邊電流過(guò)大。這是因為二次補償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大于副邊補償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)時(shí)，磁平衡被打破，磁芯中有磁場(chǎng)通過(guò)，原邊電流繼續加大時(shí)，磁芯中磁場(chǎng)也隨著(zhù)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(kāi)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象不易發(fā)生，但不等于不會(huì )發(fā)生，使用不當或長(cháng)時(shí)間過(guò)載，也會(huì )發(fā)生磁飽和。

 

 

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