霍尔电流电压传感器

 ‘’  5国外电子元器件6’‘年第 ‘期 ’‘年 ‘月 p综述 霍尔电流电压传感器变送器模块的性能及应用 吴金宏 倪向阳 吴昊 Perfor m ance and Application of Hall Current - V oltage Sensor/ Transducer · ÕªÉÎÈÏÎÇ ®É ¸ÉÁÎÇÙÁÎÇ · Õ ¨ÁÏ 摘要 š霍尔电流 !电压传感器变送器模块是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一 Œ可广泛 用于电力 !电子 !交流变频调速 !逆变装置 !电子测量和开关电源等诸多领域 Œ可完全替代传统的互 感器和分流器 Œ并具有精度高 !线性好 !频带宽 !响应快 !过载能力强和不损失测量电路能量等优 点 "文中介绍了霍尔电流电压传感器变送器的性能 !特点 !工作原理 !连接方法 !命名规则和应用 注意事项 Œ并给出了几种典型的应用举例 " 关键词 š霍尔传感器 ›变送器 ›测量 ›变换 分类号 š´ °’‘’1– 文献标识码 š¢ 文章编号 š‘–  –—™™ˆ’‘‰‘  ‘’  ” ‘ 引言 近年来 Œ新一代功率半导体器件大量进入电力 电子 !交流变频调速 !逆变装置及开关电源等领域 " 原有的电流 !电压检测元件已不适应中高频 !高 Äɏ ÄÔ电流波形的传递和检测 "霍尔电流 !电压传感器 变送器模块是近十几年发展起来的测量控制电流 ! 电压的新一代工业用电量传感器 Œ是一种新型的高 性能电气检测元件 " 霍尔电流 ! 电压传感器 变送器由于具有精度 高 !线性好 !频带宽 !响应快 !过载能力强和不损失被 测电路能量等诸多优点 Œ因而被广泛应用于变频调 速装置 !逆变装置 ! µ °³ 电源 !逆变焊机 !变电站 ! 电解电镀 !数控机床 !微机监测系统 !电网监控系统 和需要隔离检测大电流 ! 电压的各个领域中 "在电 力电子产品中 Œ对大电流 !电压进行精确的检测和控 制也是产品安全可靠运行的根本保证 " ’ 霍尔传感器变送器的性能特点 霍尔电流 !电压传感器变送器模块具有优越的 电性能 Œ是一种先进的 !能隔离主电路回路和电子控 制电路的电检测元件 "它综合了互感器和分流器的 所有优点 Œ同时又克服了互感器和分流器的不足ˆ互 感器只适用于 • ¨Ú工频测量 ›分流器无法进行隔 离测量 ‰ "利用同一只霍尔电流电压传感器变送器 模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流 Œ甚 至可以检测瞬态峰值 Œ因而是替代互感器和分流器 的新一代产品 "霍尔电流 !电压传感器变送器具有 如下特点 š p 可测量任意波形的电压和电流 "霍尔电压 ! 电流传感器 变送器模块可以测量任意波形的电流 和电压参量 Œ如直流 !交流和脉冲波形等 "也可以对 瞬态峰值参数进行测量 Œ其副边电路可以忠实地反 映原边电流的波形 "这一点普通互感器无法与其相 比 Œ因为普通的互感器一般只适用于 • ¨Ú的正弦 波 › p 精度高 "一般的霍尔电流电压传感器 变送 器模块在工作区域内的精度优于 ‘ … Œ该精度适合 于任何波形的测量 Œ而普通互感器精度一般为 “ … * • … Œ且只适合于 • ¨Ú的正弦波形 › p 线性度优于 1‘ … › p 动态性能好 "一般霍尔传感器 变送器模块 的动态响应时间小于 ‘Lӌ 跟踪速度 Äɏ ÄÔ高于 • ¡Lӛ 霍尔电流电压传感器 变送器模块以其优异的 动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的 基础ˆ无感元件‰ "一般普通互感器的动态响应时间 为 ‘ * ’Lӌ这显然已不适应工业控制系统发展的 需要ˆ感性元件‰ › p 工作频带宽 "可在  * ‘Ë¨Ú频率范围内很 好地工作 › p 过载能力强 Œ测量范围大ˆ * ? –¡‰ ›  ‘“ 霍尔电流电压传感器变送器模块的性能及应用 图 ‘ 霍尔器件工作原理图 p 可靠性高 Œ平均无故障工作时间大于 • @ ‘”小 时 › p 尺寸小 Œ重量轻 Œ易于安装且不会给系统带来 任何损失 " “ 霍尔传感器变送器的工作原理 霍尔电流 ! 电压传感器是根据霍尔原理制成 的 "它有两种工作方式 Œ即磁平衡式和直测式 "霍尔 电流 !电压传感器一般由原边电路 !聚磁环 !霍尔器 件 !次级线圈和放大电路等组成 "图 ‘所示为霍尔电 流 !电压传感器变送器的工作原理 " “1‘ 直测式电流传感器ˆ开环式 £ ¨ ¦ ´ 系列‰ 众所周知 Œ当电流通过一根长导线时 Œ在导线周 围将产生一磁场 Œ这一磁场的大小与流过导线的电 流成正比 Œ它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上 并使其有一信号输出 "这一信号经功率放大器放大 后直接输出 Œ一般的额定输出标定为 ” ¶ " “1’ 磁平衡式电流传感器ˆ闭环式 £ ¨ ¢系列‰ 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器 Œ即主 回路被测电流 ©Ð在聚磁环处所产生的磁场通过一 个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿 Œ从而使霍 尔器件处于检测零磁通的工作状态 " 磁平衡式电流传感器的具体工作过程为 š当主 回路有一电流通过时 Œ在导线上产生的磁场被聚磁 环聚集并感应到霍尔器件上 Œ所产生的信号输出用 于驱动相应的功率管并使其导通 Œ从而获得一个补 偿电流 ©Ó"这一电流再通过多匝绕组产生磁场 Œ该 磁场与被测电流产生的磁场正好相反 Œ因而补偿了 原来的磁场 Œ使霍尔器件的输出逐渐减小 "当 ©° 与 匝数相乘所产生的磁场与 ©³ 和匝数相乘所产生的 磁场相等时 Œ ©³ 不再增加 Œ这时的霍尔器件起指示 零磁通的作用 Œ此时可以通过 ©³ 来测试 ©° "当 ©° 变 化时 Œ平衡受到破坏 Œ霍尔器件有信号输出 Œ即重复 上述过程 Œ最后重新达到平衡 "被测电流的任何变 化都会破坏这一平衡 "一旦磁场失去平衡 Œ霍尔器 件就有信号输出 "经放大后 Œ立即就有相应的电流 流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿 "从磁场失 衡到再次平衡 Œ所需的时间不到 ‘Lӌ这是一个动态 平衡的过程 " “1“ 霍尔电压传感器ˆ£ ¨ ¶ 系列‰ 霍尔电压传感器的工作原理与电流传感器相 似 Œ也是以磁平衡方式工作的 " “1” 交流直流变换器ˆ£ ¨ º 系列‰ 交流 直流变换器与电流或电压传感器相配合使 用所组成的模块可以把  * ‘¶ 的交 !直流信号转换为 ” * ’Í ¡ˆ或  * ’Í ¡‰ ! * •¶ 的标准直流信号" 该变送器也可以与压力 !温度 !流量等传感器配 合使用 Œ并将它们的输出转换为标准直流信号以形 成不同的变送模式供各种系统使用 " ” 霍尔传感器变送器的连接方式 电流 !电压传感器只需外接正负直流电源 Œ被测 电流母线一般从传感器中穿过或接于原边端子 Œ然 后在副边端再作一些简单的连接即可完成主电路与 控制电路的隔离检测 Œ电路设计非常简单 " 若与变送器配合使用 Œ经 ¡¤转换后 Œ可方便地 与计算机或各种仪表接口 Œ并可以进行长距离传输 " ”1‘ 磁平衡ˆ补偿‰式接线法 磁平衡ˆ补偿‰式电流 !电压传感器变换器有以 下 “ 个系列 š £ ¨ ¢  @ @ @ ° ! £ ¨ ¢  ³ 和 ¬¡  @ @ ° Œ其输出信号均为电流 "若需要电压输 出方式 Œ可在 ­ 端与电源地之间根据所需电压大小 外接取样电阻ˆ产品手册中有推荐值 Œ一般为几十到 几百欧姆‰ Œ其典型接线方法如图 ’所示 " 传感器的 “个接线端子分别为 š正电源输入接 / ‹ 0端 Œ负电源输入接/  0端 Œ/ ­ 0端为信号输出端" ”1’ 直测式接线法 直测式电流传感器有 £ ¨ ¦ ´  @ @ @ ¡ ! £ ¨ ¦ ´  @ @ @ ¡ ³ ! £ ¨ ¦ ´  @ @ @ ¡ ´ 等 “个系 列 "它们的输出信号为电压方式 Œ在额定工作条件 图 ’ 磁平衡式电流传感器接线法  ‘”  5国外电子元器件6’‘年第 ‘期 ’‘年 ‘月 图 ” 电压传感器接线法 下 Œ其标准输出信号为 ? ” ¶ Œ用户可根据需要选 取 "传感器上有零点和增益电位器 Œ用户一般不需 再作调整 "若用户有特殊要求 Œ可向厂方订做 "直测 式电流传感器的接线方法因产品系列的不同而有所 不同 Œ图 “为直测式电流传感器的接线图 " ”1“ 电压传感器的接线法 电压传感器ˆ如 £ ¨ ¶  ’•° !£ ¨ ¶  ‘等‰一 般有 •个接线端子 Œ其中 / ‹ ¨ ´ 0 !/  ¨ ´ 0 为原边 端子 Œ分别接被测电压输入端的正极和负极 "另外 “ 个端子为负边端子 Œ/ ‹ 0 端接 ‹ ‘• ¶ 电源 Œ/  0 端 接  ‘• ¶ 电源 Œ/ ­ 0端为信号输出端 " 电压传感器的接线方法如图 ”所示 " 根据所测电压大小的不同 Œ用户可根据需要在 被测电压一端串接一个电阻 ² 后再接到传感器的 原边 Œ串接电阻 ² 的大小由下式决定 š ²  ¶ ° ©©®  ² ©® 式中 ² 为串联电阻 Œ ¶ ° 为被测电压 Œ ©©® 为额 定输入电流 Œ² ©® 为传感器的原边内阻 " 串接电阻功率大小由 ·  ¶ Ð1©©® 确定 " 电压传感器的输出端的应用接线方法与磁平衡 式电流传感器相同 Œ可参考图 ”接线法 " ”1” 变换器ˆ变送器‰接线法 变换器有 £ ¨ º”  ’ ­ ¡ ! £ ¨ º  ’ ­ ¡ ! £ ¨ º ¯  ‘ ¶ 三个系列 Œ它们与传感器配合使用可 形成不同的变送形式 " 电流传感器与变换器相接可组成电流变换器 › 电压传感器与变换器相接可组成电压变换器 "变换 器也可以单独使用 "如果将其它传感器ˆ如压力 !温 度等‰的输出信号接于变换器 Œ则可将普通的传感器 输出信号变换成  * ’ Í ¡ 或 ” * ’ Í ¡ 的标准信 号 Œ以便于长距离传输或与计算机接口 Œ其接线方法 如图 •所示 " • 霍尔电流电压传感器变送器的应用 •1‘ 电压型逆变器保护电路 在电压型逆变器中 Œ如果换相失败 Œ则很容易使 一相中上下两个桥臂中的半导体器件因过电流而损 坏 Œ如上下桥臂采用功率模块时 Œ要求短路电流保护 电路能在短路检出后 ‘L Ó内切断门驱动电路 Œ同 时还需考虑电路的传输时间 "所以 Œ这种逆变器必 须有快速过电流保护装置 Œ可以用霍尔电流传感器 检测每个桥臂中的电流 "若因换相失败造成了上下 桥臂同时导电 Œ则相应的两处传感器可以同时检出 电流信号 Œ该信号与基准电压比较后转换成方波 " 这样 Œ可通过门电路控制封锁所有的逆变触发脉冲 Œ 从而达到切断门驱动电路的目的 "图 –为电压型逆 变器保护电路 Œ这种电路的优点是 Œ只要上下桥臂同 时存在的电流超过基准 Œ保护电路立即动作 "因为 保护早 Œ功率模块不会经受过大电流的冲击 "其次 Œ 保护动作速度快 "因为霍尔电流传感器是无感元 件 Œ在功率模块关断时 Œ它不会产生过电压 "因此 Œ 可简化设计过程 Œ提高效率 " 图 –中 Œ/ ¹ 0为电压传感器 Œ用于检测母线直流 电压 ›/ º 0为电流传感器 Œ用于检测母线直流电流 › / » 0用来检测输出电流波形 ›/ ¼0用于检测上下两 个桥臂中的电流差 " •1’ 用于变频调速装置 利用图 –所示电路也可以检测变频调速系统的 主回路信号 "使用时 Œ第一个电流传感器模块接入 图 • 变换器接线法 图 – 电压型逆变器保护电路 图 “ 直测式电流传感器接线法  ‘•  图 ˜ 霍尔电流电压传感器变关器模块的命名方法 霍尔电流电压传感器变送器模块的性能及应用 由西安春秋视讯技术公司经销的耗尽型 ¤ ­ ¯ ³ 场效应管主要有输入阻抗高 !输入电容低 !开关速度 快 !导通电阻低 !输入输出漏电流和防止二次击穿等 特性 "该系列器件可广泛用于常开开关 !转换 !恒流 源 !固态继电器 !线性放大器 !电源电路及通信等装置 和系统 "西安春秋视讯公司所经销的耗尽型 ¤ ­ ¯ ³ 场效应管具有 ´   ™’ !´   ’’和 ´   ’”“ ¡ ¡ 三种 封装形式 "表中是该系列器件的主要参数及对应型 号 " 西安春秋视讯公司电话 š’™  ˜“‘“™—’ 咨询编号 š‘‘’— ®沟道耗尽型 ¤ ­ ¯ ³场效应管 p元器件快讯 图 — 电流传感器在逆变焊机中的应用 整流滤波后的直流回路 "当检测到主回路中出现异 常尖峰或有效值超出标准时 Œ电路将迅速切断逆变 触发电路的触发脉冲 Œ以保护逆变和整流模块 "另外 “个传感器接入逆变器的输出回路 Œ用来检测随频 率变化的交流电流 "这样可以更好地控制转矩 Œ也 可提供防止电机过载所需的信号 " •1“ 电流传感器在逆变焊机中的应用 霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离 作用 Œ在直流输出的电力电子设备中 Œ可以利用霍尔 电流传感器测得与主电路隔离的直流测量信号 Œ也 可以通过电子控制电路对直流测过流 ! 短路保护和 显示控制 Œ还可用于电流反馈和稳流调节 "电流传感 器在逆变焊机中的应用电路如图—所示" – 霍尔传感器变送器的命名方法 霍尔电流 !电压传感器变送器模块的命名一般 由 ”部分组成 Œ下面以北京 —‘厂的产品为例说明 其命名方法 Œ图 ˜是 £ ¨ ¢系列霍尔电流电压传感 器变送器的名称含义示意图 Œ具体说明如下 š ˆ‘‰主称 š £ ¨ 表示模块名称 ˆ’‰类别 š用字母表示 ¢ 闭环电流传感器系列 ¦ ´ 开环电流传感器系列 ¶ 电压传感器系列 º 变换器系列 ˆ“‰ 额定电流 š用数字表示 ˆ”‰ 结构形式 š用字母表示 ° 印刷板安装 ³ 园形穿孔 ¡ 方形穿孔 ´ 带原边电流排 — 使用注意事项 使用霍尔传感器变送器模块时 Œ应注意以下几点 š ˆ‘‰ 使用传感器时 Œ应先接通副边电源 Œ再接通 原边电流或电压 " ˆ’‰ 测量电流时 Œ最好用单根导线充满模块孔 径 Œ以获得最佳动态特性和灵敏度 " ˆ“‰ 测量电压时 Œ被测电压应先串接限流电阻 Œ 在得到传感器所规定的原边电流后 Œ再接入电压传 感器原边端子 " ˆ”‰ 模块的最佳精度是在额定值下测得的 "当 被测电流低于额定值时 Œ为了获得较好的精度 Œ原边 可以使用多匝 Œ即 š©Ð®Ð 额定安匝数 " 收稿日期 š’  –  • 咨询编号 š‘‘“