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电流传感器

 一、前言

     随着城市人口和建设规模的扩大,各种电气设备的增加、耗电量的增大、城市电气供应设备的过载运行、电气使用环境的恶化、电源的“考验”日益严重。根据统计,每天有120次左右的各种电源问题侵扰电气设备,电气设备故障的60 %来自电源。 因此,电力问题的重要性越来越高。 当初,以少量的设备投资电源,现在受到制造商和研究人员的重视,电源技术发展成了新的技术。

 现在,在小型的电源设备中也嵌入了新技术。 例如,开关电源、硬开关、软开关、参数调节器、线性反馈调节器、磁放大器技术、数字控制调压、PWM、SPWM、电磁互换等。 实际的需求是直接推动电源技术的发展和进步,自动检测并显示电流,在发生过电流、过电压等危害时具有自动保护功能和更高的智能控制,感应采样、感应保护的电源技术逐渐成为趋势。

二.霍尔传感器

      霍尔传感器是磁性传感器。能够使用这个检测磁场及其变化,能够在与各种磁场相关情况下使用。霍尔传感器是以霍尔效应为基础、由霍尔元件及其附属电路构成集成传感器。 霍尔传感器在工业生产、交通运输、日常生活中应用非常广泛。。

 1 .霍尔效应、霍尔元件、霍尔传感器

   (1)霍尔效应

    如图1所示,在半导体晶片两端通电控制电流I,在晶片的垂直方向上施加磁感应强度b的实心强磁场时,在与电流和磁场垂直的方向上产生电位差uh的霍尔电压,这些关系如下:1.png

2.png

   式中d称为片材的厚度,k称为霍尔系数,其大小与片材的材料相关。

     这种效果被称为霍尔效应,是在1879年德国物理学家霍尔研究了电流通电导体受到磁场的力的性质时发现的。

    (2)霍尔元件

     由于霍尔效应,将由半导体材料构成元件称为霍尔元件。磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应广、输出电压变化大、寿命长等优点,广泛应用于测量、自动化、计算机、信息技术等领域。

    (3)霍尔传感器

     霍尔元件产生的电势差小,因此通常将霍尔元件和放大器电路、温度补偿电路及恒压电源电路等集成化为一个芯片,称为霍尔传感器。

 

芯片.png

   霍尔传感器也称为霍尔集成电路,外形小,如图2所示,是某一种型号外形图。

 2 .霍尔传感器的分类

    霍尔传感器有直线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

    (1)线性霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和发射极跟随器构成,模拟输出。

     (2)开关型霍尔传感器由电压调节器、霍尔元件、差动放大器、定子、输出级构成,输出数字量。

 3 .霍尔传感器的特性

    (1)线型霍尔传感器的特性

霍尔传感器特性.png

   输出电压与施加磁场的强度呈直线关系,如图3所示,在b1~ b 2的磁感应强度的范围内,线性度高,磁感应强度超过该范围时饱和状态。

   (2)开关型霍尔传感器的特性 

   如图4所示,bop是动作点"开"磁感应强度,BRP是发射点"闭"的磁感应强度。

开关磁感应.png

   施加的磁感应强度超过动作点bop时,传感器输出变为低电平,磁感应强度降低到动作点bop以下时,传感器输出电平不变化,降低到开放点BRP时,传感器从低电平转移到高电平。通过bop和BRP之间的滞后,更可靠地进行开关动作。

   另外,还有具有图5所示特性的“钥匙锁型”(或也称为“闩锁型”)开关型霍尔传感器。

钥匙锁型.png

    如果磁感应强度超过动作点bop,则传感器输出从高电平迁移到低电平,即使在外部磁场消失后,其输出状态也会变化(即闩锁状态),反向磁感应强度达到BRP时,需要使电平变化。

  

 三、电流传感器的工作原理 

     霍尔电流传感器可以测量从直流到数十千赫交流的各种电流,其基本动作原理是霍尔效应的原理。

 1 .电流传感器的输出信号

 当一次侧导线通过电流传感器时,原边电流IP产生磁力线,原边磁力线集中在铁心空隙的周围,内置在磁铁心的空隙中的霍尔电片产生与原边磁力线成比例的几毫伏大小的感应电压,通过后续的电子电路将该微小的副边电流is 

 在此,is -副边电流 

 IP -原边电流 

 NP-原边线圈匝数 

 NS-副边线圈匝数 

 NP/ns -匝数比,一般设为NP = 1。 

 电流传感器的输出信号是与输入信号(原边电流IP )成比例的副边电流is,is一般小至10~400 ma。 输出电流通过测定电阻RM时,可以得到与原边电流成正比大小几伏的电压输出信号。。 


 2 .电流传感器供给电压va 

 va是电流传感器的供给电压,应在传感器规定的范围内。  超过该范围时,传感器无法正常工作,可靠性降低。另外,传感器的供给电压va分为正极供给电压va +和负极供给电压va-。 单相供电的传感器的供给电压vapmin为双相供电电压vapmin的2倍,因此其测量范围比双相供电的传感器大。


 3 .量测范围ipmax 

 测量范围是电流传感器能够测量的最大电流值,测量范围一般高于标准额定IPN。 



  四、电流传感器的主要特性参数

    1 .标准额定IPN和额定输出电流isn

   IPN是电流传感器可测量的标准额定值,以有效值显示( a.r.m.s )。 

    与以往电流传感器一样,具有正极( + )、负极(-)测量端子( m )及接地(0) 4根引脚,带状线电流传感器不具有这4根引脚,具有与正极、负极、测量端子及接地对应的红、黑、黄、绿4根引脚。IPN的尺寸取决于传感器产品的型号。 isn是电流传感器额定输出电流,一般为10~400 ma,但因机型而异。。

   2 .偏移电流iso。

    偏移电流也称为剩余电流或残余电流,主要起因于霍尔元件或电子电路中运算放大器的工作状态的不稳定化。电流传感器在生产时、25℃、IP = 0时,偏移电流电流最小,但传感器在离开生产线时产生一定大小的偏移电流。 睿感霍尔传感器产品在技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。 

 3、线性度

 线性度决定传感器输出信号(副边电流is )与输入信号(原边电流IP )成比例的程度,四川都睿感控科技有限公司的电流传感器的直线性优于0.5%。

 4、温度漂移 

  偏置电流iso在25℃下计算,霍尔电极周边的环境温度发生变化时iso会发生变化。。 

 因此,重要的是考虑偏移电流iso的最大变化,IOT是电流传感器性能表的温度漂移值。 

 5 .过负荷。 

 电流传感器的过负荷能力是指,发生电流过负荷时,即使在测量范围外,一次侧电流也会增加,过负荷电流的持续时间有时会缩短,但过负荷值有时会超过传感器的容许值,因此过负荷电流值传感器通常无法测量,但不会对传感器造成损伤。

6 .精度

 霍尔效应传感器的精度依赖于标准额定电流IPN 。+ 25℃时,传感器的测量精度会影响原边电流,同时测量传感器精度时,需要考虑偏移电流、线性、温度漂移的影响。


五、传感器型号、结构及安装方法

  霍尔效应传感器商品标签一般由“传感器商品型号”和“生产日期”两部分构成。“传感器产品型号”用于显示传感器的型号、额定测量值、工作电源、接线指示。


 霍尔效应传感器产品较多,因传感器的外形构造、尺寸等而异。 

 代表性的外形构造和设置接线方法介绍几个。


 1、睿感电流传感器 

    睿感电流传感器支持非标定制,所能测量的额定电流范围广,可以按需定制,原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少,参见说明书。 

 2 .带线电流传感器

   一个孔径的大小与产品型号、测量电流的大小有关系。无论哪种类型的电流传感器,安装时管脚的接线都请按照说明书中记载的那样进行接线。。 

 (1) AC测量时,必须强制使用双极电源。 

 即,在传感器的正( + )侧连接供给电源「+ va」侧、负(-)侧连接供给电源「- va」侧,将此连接称为双极供给电源。 同时,测量端( m )为电阻连接电源“0 v”端(单指零磁通式)。 

(2)测量直流电流时,可以将单极性或单相供电电源,即正极或负极短路到“0 v”端子,使一个电极只接触。

 另外,需要考虑产品的用途、形式、范围、设置环境等进行安装 

 例如,尽量有利于散热地安装传感器。

 6 .提高测量精度的方法。 

 除了安装接线、实时校准、注意传感器的作业环境外,还可以通过以下方法提高测量精度。。 

 1 . 请将一次侧导线置于传感器内孔的中心,尽量不要偏移。

 2 .一次侧的导线请尽量充满传感器内的孔,不要留出间隙。

 3 .需要测量的电流接近传感器的标准额定IPN,不要有太大差异。如果条件有限,则额定值高的传感器但手边只有一个传感器想要测量的电流值比额定值低很多,为了提高测量精度,可以使一次侧导线接近额定值绕数圈。

 例如,在用额定值100 a的传感器测定10 a的电流时,为了提高精度,可以使一次侧导线在传感器的内孔的中心环绕10圈(一般来说NP = 1; 环绕内侧的孔一周,NP = 2。  …9圈、NP = 10时,NP×10 a = 100 a与传感器的额定值相等,可提高精度。。 

 4 .即使想测量的电流值是IPN/10的整数倍,在25℃下也能得到高精度。

七、传感器的抗干扰性。 


 霍尔电流传感器利用了原边绕组的电磁场原理。 

     因此,以下原因直接影响传感器是否因外部电磁场而发生干扰。 

1 .传感器附近外部电流的大小及电流频率是否发生变化? 

 2 .外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置与传感器内霍尔电极的位置。

 3 .安装传感器时使用的材料有无磁性。 

 4 . 使用的电流传感器是否被屏蔽?。 

 为了尽量减小外部电磁场的干扰,最好根据上述要求安装传感器。。 

 八、传感器标定 

 1.偏移电流iso。

 偏移电流在IP = 0、环境温度t≈25℃的条件下进行校准,进行(双极供电)接线,测量电压VM为VM≤RM×iso。 

 2 .精度。 

 IP = IPN ( AC or DC )、环境温度t≈25℃、传感器的双极供电、RM在实际测量电阻的条件下进行测量 

 3 .保护测试

 某公司的传感器即使在测量电路短路、测量电路开放、电源供给开放、一次侧电流过载、电源意外反转的条件下也得到保护。上述各测试的例子如下所示: 

 (1)测量电路短路 

 该测试需要IP = IPN、环境温度t≈25℃、传感器的双向电源供给、RM实际使用的电阻条件、输出和接地开关、开关在1分钟内接通/断开。

 (2)测量电路开路。 

 该测试条件为: IP = IPN,环境温度t≈25℃,传感器双向供电,RM在实际使用中的电阻条件下进行,输出和电阻连接开关,开关s在1分钟内完成on/off的切换动作 

  (3)意外的电源反转测试 

  为了防止电源意外颠倒导致传感器损坏,在电路中内置了保护二极管,该测试在多功能表测试二极管的两端,IP = 0、环境温度t≈25℃、传感器无法供电、测量电阻未连接的条件下进行。 

 可以通过以下两种方式进行测试:。 

 第一个是测试仪红表端子传感器" m "端子、测试仪黑表端子传感器" + "端子。。 第二个是测试仪红色导线传感器负极,测试仪黑色导线传感器m端。测试中,测试器鸣响长笛时二极管损坏。 

九、传感器应用计算。 


 电流传感器的主要计算公式如下。。 

     计算NP * IP = ns * is一次侧或二次侧的电流。 VM = RM * I测量电压的计算

 vs = RS * is计算出副边电压 

 va = e + vs + VM计算电源电压 

 但是,e是二极管内部和晶体管输出的电压降,传感器的e值因型号不同而不同 

 在此,只以HNC-300 lt为例,这样传感器的匝数比NP/ns =1/ 2000、标准额定电流值IPN = 300 arms、供电电压va的范围为±12 v ~±15 v (±5 % )、副边电阻RS = 30Ω,以两极性(±va )进行供电,以该传感器测定范围> 100 a防止供电电源意外反转的保护二极管 

 上述条件下: 


 1 .提供供电压va,计算测量电压VM和测量电阻RM。。 

 假设供给电压va =±15 v 

 根据上述公式, 

 测量电压VM = 9.5 v; 

 测量电阻RM = VM/is = 63.33Ω;

 副边电流is = 0.15 a。 

 选择测量63.33Ω的电阻时,传感器全部测量时输出电流信号为0.15 a,测量电压9.5 v。 

 2 .给予供给电压和测量电阻,计算想测量的峰值电流。

 假设供电电压va =±15 v、测量电阻RM = 12Ω, 

 即VM + vs = ( RM + RS )×is = va-e = 14 v 

 另外一方面,RM + RS = 12 w + 30 w = 42 w, 

 最大输出副边电流: isax = 0.333 a 

 原边缘峰值电流: ipmax = isax ( ns/NP ) = 666 a 

 这是因为,在上述条件下,传感器能够测定的最大电流即1次峰值电流为666 a 

 原边电流超过该值时,传感器无法测量,但传感器不会损坏 

 3 .测量电阻(负载电阻)会影响传感器的测量范围。 

 测量电阻也会影响传感器的测量范围,因此需要选择测量电阻。 

 十、结语

  城市消费电力设备增加,农村供电设备老化修理不足时,城市和农村各地经常发生电压不稳定、电路短路、过电流等现象,导致人民生活不便和设备损坏。通过在电源技术中使用传感功能,实现电源装置的小型化、智能化、安全化。 

 电源技术集中了电子、电力整合、自动控制、材料、感应、计算机、电磁互换、热工学等许多技术领域的精华,认为传感器在21世纪的电源技术中也发挥着重要的作用。 

 

参考文献

[1] 陈艾主编《敏感材料与传感器》北京:化学工业出版社,2004.10

[2] 沙占友主编《集成化智能传感器原理与应用》 北京:电子工业出版社,2004.01

[3] HNC-025A电流传感器使用手册. 南京中旭电子科技有限公司



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