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(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?；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。霍爾電流傳感器是按照霍爾效應原理制成，對安培定律加以應用，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。

 

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

 

當原邊電流IP流過一根長導線時，在導線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，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題

 

磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，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)。

 

具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流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，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時可以通過Is來測試Ip。當Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復上述過程重新達到平衡。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，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補償電流安匝數(shù)在任何時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償電流IS流過副邊線圈產(chǎn)生的磁場進行補償，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AC-DC及其他轉(zhuǎn)換，變?yōu)?～4V、0～20mA（或4～20mA）的標準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)的在響應時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）通過一根導線時，在導線四周將會產(chǎn)生一個磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它能通過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：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用以來就得到廣泛認可的主要優(yōu)點之一。

 

事實是不是這樣呢？

 

事實上，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，只要磁感應強度超出線性區(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。

 

不會因為電流頻率低導致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點，也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點。

 

相比之下，電磁式互感器也有一個優(yōu)點，就是二次負荷足夠小時，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，因為閉環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時，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償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導體產(chǎn)生的磁場的前提下。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，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當于一個開環(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)生的磁場大于副邊補償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時，磁平衡被打破，磁芯中有磁場通過，原邊電流繼續(xù)加大時，磁芯中磁場也隨著增大，原邊電流足夠大時，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進入磁飽和狀態(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，使用不當或長時間過載，也會發(fā)生磁飽和。

 

 

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