霍尔电流传感器

霍尔电流传感器

霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，即闭环原理，当原边电流IP产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边IP产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。

基本原理

霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势VH。[1]

霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：

VH=KHICBsinΘ

霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。

通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。

检测原理

由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。

补偿原理

原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。

知道：Φ1=Φ2

I1N1=I2N2

I2=NI/N2·I1

当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即：U0=I2RM

按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从～系列规格的电流传感器。

由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。

测电压

为了测量mA级的小电流，根据Φ1=I1N1，增加N1的匝数，同样可以获得高磁通Φ1。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。

与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压U1上，得到与被测电压U1成比例的电流I1。副边原理同电流传感器一样。当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即U0=I2RM

电流传感器的输出

直接检测式（无放大）电流传感器为高阻抗输出电压，在应用中，负载阻抗要大于10KΩ，通常都是将其±50mV或±100mV悬浮输出电压用差动输入比例放大器放大到±4V或±5V。（a）图可满足一般精度要求；（b）图性能较好，适用于精度要求高的场合。

直检放大式电流传感器为高阻抗输出电压。在应用中，负载阻抗要大于2KΩ。

磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。从图1－3看出“M”端对电源“O”

端为电流I2的通路。因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻RM只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。

为了保证高精度测量要注意：①测量电阻的精度选择，一般选金属膜电阻，精度≤±0.5%，详见表1－1，②二次仪表或终端控制板电路输入阻抗应大于测量电阻100倍以上。

电压电阻

从前面公式知道

U0=I2RM

RM=U0/I2

式中：U0－测量电压，又叫取样电压（V）。

I2－副边线圈补偿电流（A）。

RM－测量电阻（Ω）。

计算时I2可以从磁补偿式电流传感器技术参数表中查出与被测电流（额定有效值）I1相对应的输出电流（额定有效值）I2。假如要将I2变换成U0=5V，RM选择详见表1－1。电流计算

从图1－3可知输出电流I2的回路是：V+→末级功放管集射极→N2→RM→0，回路等效电阻如图1－6。（V-～0的回路相同，电流相反）

当输出电流I2最大值时，电流值不再跟着I1的增加而增加，我们称为传感器的饱和点。按下式计算

I2max=V+-VCES/RN2+RM

式中：V+－正电源（V）。

VCES－功率管集射饱和电压，（V）一般为0.5V。

RN2－副边线圈直流内阻（Ω），详见表，1－2。

RM－测量电阻（Ω）。

从计算可知改变测量电阻RM，饱和点随之也改变。当被测电阻RM确定后，也就有了确定的饱和点。根据下式计算出最大被测电流I1max：I1max=I1/I2·I2max

在测量交流或脉冲时，当RM确定后，要计算出最大被测电流I1MAX，如果I1max值低于交流电流峰值或低于脉冲幅值，将会造成输出波形削波或限幅现象，此种情况可将RM选小一些来解决。

测量方法

1、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏;

2、原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙;

3、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕十圈(一般情况，NP=1;在内孔中绕一圈，NP=2;……;绕九圈，NP=10，则NP×10A=100A与传感器的额定值相等，从而可提高精度);[3]

4、当欲测量的电流值为IPN/10的时，在25℃仍然可以有较高的精度。

特点

霍尔传感器不论是开环还是闭环原理，基本的性能区别不大，基本的优点在于：响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强。

应用方式

基本是HIA-C01和HIB-C15两种闭环原理的霍尔电流传感器较多，基本应用方式是HIA-C01霍尔电流传感器检测前端每一块电池板的发电情况，输出信号给信号采集装置，由信号采集装置经过采集、信号转换等步骤，有线传输至控制中心，由控制中心统一对各个阵列的发电情况进行监控。