霍尔电流电压传感器原理及使用方法

霍尔电流电压传感器原理及使用方法 1( 霍尔器件 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I，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V。CH如图1,1所示。 霍尔电势V的大小与控制电流I和磁通密度B的乘积成正比，即:V,KIBsinHCHHCΘ 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。 2( 霍尔直流检测原理 如图1,2所示。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U可以间接反映出被测电流I的大小，即:I?B?U 01110 我们把U定标为当被测电流I为额定值时，U等于50mV或100mV。这就制成010 霍尔直接检测(无放大)电流传感器。 3( 霍尔磁补偿原理 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。霍尔磁补偿原理如图1,3所示。 从图1,3知道:Φ,Φ 12 IN,IN 1122 I,N/N?I 2I21 当补偿电流I流过测量电阻R时，在R两端转换成电压。做为传感器测量电2MM 压U即:U,IR 002M 按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A,500A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。 4( 磁补偿式电压传感器 为了测量mA级的小电流，根据Φ,IN，增加N的匝数，同样可以获得高磁1111 通Φ。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1 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R，然后并联连接在被测电压U上，得到与被测电压U成比111例的电流I，如图1,4所示。 1 副边原理同电流传感器一样。当补偿电流I流过测量电阻R时，在R两端转2MM换成电压作为传感器的测量电压U，即 U,IR002M 5( 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。图5,1是两个实用电路，供参考。 (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I的通路。因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。电流2 信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻R只需设计在M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:?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，?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。 6( 取样电压与测量电阻的计算 从前面公式知道 U,IR 02M R,U/I M02 式中:U,测量电压，又叫取样电压(V)。 0 I,副边线圈补偿电流(A)。 2 R,测量电阻(Ω)。 M 计算时I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2 效值)I相对应的输出电流(额定有效值)I。假如要将I变换成U,5，RM1220V选择详见表1,1。 7( 饱和点与最大被测电流的计算 从图1,3可知输出电流I的回路是:V?末级功放管集射极?N?R?0，回2+2M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I最大值时，电流值不再跟着I的增加而增加，我们称为传感器21 的饱和点。 按下式计算 I,V-V/R+R2max+CESN2M 式中:V,正电源(V)。 + V,功率管集射饱和电压，(V)一般为0.5V。 CES R,副边线圈直流内阻(Ω)，详见表，1,2。 N2 R,测量电阻(Ω)。 M 从计算可知改变测量电阻R，饱和点随之也改变。当被测电阻R确定后，也MM就有了确定的饱和点。根据下式计算出最大被测电流I:I,I/I?I 1max1max122max 在测量交流或脉冲时，当R确定后，要计算出最大被测电流I，如果IM1MAX1max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R选小一些来解决。 M 8( 计算举例: 举例1 以电流传感器LT100,P为例: (1) 要求测量 额定电流:直流100A 最大电流:直流200A(过载时间?1分钟/小时) (2) 查表，知 工作电压:稳压?15V，线圈内阻20Ω(详见表1,2) 输出电流:0.1A(额定值) (3) 要求取样电压:5V 计算测量电流与取样电压是否合适 R,U/I,5/0.1,50(Ω) M02 I,V,V/R，R,15,0.5/20，50,0.207(A) 2max+CESN2M I,I/I?I,100/0.1×0.207,207(A) 1max122max 从以上计算结果得知满足(1)、(3)的要求。 9( 磁补偿式电压传感器说明与举例 LV50,P型电压传感器原边与副边抗电强度?4000V(50Hz.1min)，用以测RMS量直流、交流、脉冲电压。在测量电压时，根据电压额定值，在原边，HT端 串一限流电阻，即被测电压通过电阻得到原边电流 U/R,I、R,U/10mA(KΩ)，电阻的功率要大于计算值2,4倍，电阻的11111 精度??0.5,。R精密线绕功率电阻，可由厂方代订。 1 10. 电流传感器的接线方法 (1) 直检式(无放大)电流传感器接线图如图1,7所示。 (a) 图是P型(印板插脚式)接发，(b)图是C型(插座插头式)接法， VN.、V表示霍尔输出电压。 N (2) 直检放大式电流传感器接线图如图1,8所示。 (a) 图是P型接法，(b)图是C型接法，图中U表示输出电压，R表示0L 负载电阻。 (3) 磁补偿式电流传感器接线图如图1,9所示。 (a) 图是P型接法，(b)图是C型接法(注意四针插座第三针是空脚) 以上三种传感器的印板插脚式接法同实物的排列方法是一致的，插座插头接 法同实物的排列方法也是一致的，以免接线错误。 在以上接线图上，主回路被测电流I在穿孔中有一箭头示出了电流正方向，1 实物外壳上也标明了电流正方向，这是电流传感器规定了被测电流I的电流1 正方向与输出电流I是同极性的。这在三相交流或多路直流检测量中是致关2 重要的。 11. 电流电压传感器的工作电源 电流传感器是一种有源模块，如霍尔器件、运放、末级功率管，都需要工作 电源，并且还有功耗，图1,10是实用的典型工作电源原理图。 (1) 输出地端集中接大电解上以利降噪。 (2) 电容位uF，二极管为1N4004。 (3) 变压器根据传感器功耗而定。 (4) 传感器的工作电流。 直检式(无放大)耗电:最大5mA;直检放大式耗电:最大?20mA;磁补偿 式耗电:20，输出电流;最大消耗工作电流20，输出电流的2倍。根据消耗 工作电流可以计算出功耗。 12(电流电压传感器使用注意事项 (1)电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产 品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管(指磁补偿式)，一般情况下， 2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。 (2)电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得 到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。 (3)电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测 电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器;当被测电压高于 电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2 以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 。 (4)绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和 1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交 流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。 (5)在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔 径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。 (6)在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则 铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作 电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。 (7)传感器抗外磁场能力为:距离传感器5,10cm一个超过传感器原边电流 值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离 应大于5,10cm。 (8)为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1,10介绍的简易典型稳 压电源。 (9)传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力 是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。 (10)原边电流母线温度不得超过85?，这是ABS工程塑料的特性决定的， 用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。 13(电流传感器在使用中的优越性 (1)非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显 示出非接触测量的优越性;原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电 流的数值。 (2)使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越 大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电 感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感 器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做 的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。 (3)使用非常方便，取一只LT100,C型电流传感器，在M端与电源零端串 入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线 回路上，即可准确显示主回路0,100A电流值。 (4)传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作 频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外， 工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数 十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。在使用微 机检测中需信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流 电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂 体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转 换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数 字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算 机接口。 在3KV以上的高压系统，电流、电压传感器都能与传统的高压互感器配合， 替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。 (5)传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制， 不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感 器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送 器，已成为人们熟知最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、 组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划 时代的根本性变革。 霍尔传感器的应用 摘要:介绍了闭环霍尔电流传感器的工作原理及在地面车用电源系统中的应用，实现了 对车用电源系统输出电流的隔离测量、控制，解决了地面车辆的大功率发电系统的限流保护 问题。 关键词:闭环;霍尔电流传感器;车用电源;应用1 引言地面车用电源系统(以下简称 电源系统)输出电流的检测与控制，直接关系着电源系统工作的稳定性和可靠性，并影响车 辆的运行状况及车辆的可* 作性。由于车辆复杂的使用条件导致车用电源的负载变化较大， 随之电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载 而发热，影响其功率输出，严重情况下会导致电源永久失效。 闭环霍尔电流传感器(以下简称传感器)在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统 输出电流的隔离测量，并通过反馈控制电源系统的输出电流。当电源的输出电流接近电源系 统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护了 电源系统不会因用电负载的变化而损坏。 2 闭环霍尔传感器的工作原理自1879年美国物理学家Edwin Herbert Hall 发现霍尔效应 以来，霍尔技术被越来越多地应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺技术的发展，由 霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、 电压传感器的研制成功，大大地扩展了该项技术的应用领域。 2.1 霍尔效应及霍尔器件霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体 薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势 差，该电势差即为霍尔电压VH，VH与磁感应强度B 及控制电流IC成正比，经过理论推算有式 (1 )关系。 VH= (RH/d)×B ×IC(1 ) 式中:B 为磁感应强度;IC为控制电流;RH为霍尔系数;d 为半导体厚度。 式(1 )中，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感 应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制出了用于测 量磁场的半导体器件，即霍尔器件。 2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元 件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式(或称霍尔磁补偿式、霍 尔零磁通式)。众所周知，当电流流过一根导线时，将在导线周围产生磁场，磁场的大小与 流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测， 由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此，可利用霍尔器件测得 的输出信号，直接反映出导线中的电流大小，即I ?B ?VH(2 ) 式中:I 为通过导线的电流; B为导线通电流后产生的磁感应强度。 当选择适当的比例系数后，上述关系可以表示为等式。 对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一 类为开环(或称直测式、直检式)霍尔电流传感器;另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡 式)霍尔电流传感器。针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是将霍尔器件的 输出电压用运算放大器直接进行信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边 被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优 点是电路形式简单，成本相对较低;其缺点是其精度、线性度较差，响应时间较 慢，温度漂 移较大。为了克服开环传感器的不足，上世纪80年代末期，便出现了闭环霍尔电流传感器。 闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流(IN)所产生的磁场，通过 一个副边线圈的电流(IM)所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作 状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即N1×IN=N2 ×IM(3 ) 式中:N1为原边线圈的匝数;N2为副边线圈的匝数。 由式(3 )可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM 的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。 3 闭环霍尔电流传感器的主要性能闭环霍尔电流传感器是近10年来出现的高技术模块化 产品，其性能大大优于开环霍尔电流传感器，同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法 相比亦有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点:1 )可以同时测量任意波形电流， 如:直流、交流、脉冲电流;2 )副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电 压一般为2kV ,12kV;3 )电流测量范围宽，可测量额定1mA ,50kA电流;4 )跟踪速度di/dt>50A/ μs ;5 )线性度优于0.1 ,IN;6 )响应时间<1μs ;7 )频率响应0 ,100kHz. 4 传感 器在车用电源系统中的应用闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功地应用于逆变 焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上。我们假以南京中旭的额定电 流为300A的HNC-300S型霍尔电流传感器为例，说明这种传感器的应用(传感器电参数略)。 在某型地面车辆上装备了一套独立的大功率发电系统，该发电系统设计选用了HNC ,300S型 闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流 工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。闭环霍尔电流传感器HNC ,300S 的应用，很好地实现了上述应用目的。 当发电机G 输出正端汇流母线穿过HNC ,300S的原边电流穿孔，由传感器HNC ,300S检 测发电机的输出电流，传感器的输出IM与发电机控制盒相连，由发电机控制盒设定发电机的 输出电流控制点，依据此信号，对发电机的输出电流加以限制，避免发电机因输出功率过高 而发生故障或损坏，从而保证发电系统正常工作。 5 结语该传感器能够满足车用发电系统对电流检测的技术要求，已在多套地面车辆的发 电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。