霍爾電流感測器的應用

電流感測器的工作原理

電流感測器可以測量各種型別的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據的工作原理主要是霍爾效應原理。（本文下面多以以零磁通閉環產品原理為例）

當原邊導線經過電流感測器時，原邊電流IP會產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內建在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過後續電子電路可把這個微小的訊號轉變成副邊電流IS，並存在以下關係式： IS* NS= IP*NP

其中，IS—副邊電流；

IP—原邊電流；

NP—原邊線圈匝數；

NS—副邊線圈匝數；

NP/NS—匝數比，一般取NP=1。

１，電流感測器的輸出訊號是副邊電流IS，它與輸入訊號（原邊電流IP）成正比，

IS一般很小，只有10~400mA。如果輸出電流經過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊

電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出訊號。

2、感測器供電電壓VA

VA指電流感測器的供電電壓，它必須在感測器所規定的範圍內。超過此範圍，感測器不能正常工作或可靠性降低，另外，感測器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負極供電電壓VA-。要注意單相供電的感測器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量範圍要相供高於雙電的感測器。

3、測量範圍Ipmax

測量範圍指電流感測器可測量的最大電流值，測量範圍一般高於標準額定值IPN。

　電流感測器主要特性引數

1、標準額定值IPN和額定輸出電流ISN

IPN指電流感測器所能測試的標準額定值，用有效值表示（A。r。m。s），IPN的大小與感測器產品的型號有關。 ISN指電流感測器額定輸出電流，一般為10~400mA，當然根據某些型號具體可能會有所不同。

2、 偏移電流ISO

偏移電流也叫殘餘電流或剩餘電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態不穩造成的。電流感測器在生產時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調至最小，但感測器在離開生產線時，都會產生一定大小的偏移電流。產品技術文件中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。

3、 線性度

線性度決定了感測器輸出訊號（副邊電流IS）與輸入訊號（原邊電流IP）在測量範圍內成正比的程度，南京中旭電子科技有限公司的電流感測器線性度要優於0。5%。

4、 溫度漂移

偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電極周邊環境溫度變化時，ISO會產生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，其中，IOT是指電流感測器效能表中的溫度漂移值。

5、 過載

電流感測器的過載能力是指發生電流過載時，在測量範圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續時間可能很短，而過載值有可能超過感測器的允許值，過載電流值感測器一般測量不出來，但不會對感測器造成損壞。

6、 精度

霍爾效應感測器的精度取決於標準額定電流IPN。在+25℃時，感測器測量精度與原邊電流有一定影響，同時評定感測器精度時還必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

　感測器型號、結構和安裝方法

感測器產品標籤一般由“感測器產品型號”和“生產日期”兩部分構成。“感測器產品型號”用於標明感測器的型號、額定測量值、工作電源及接線指示，“感測器生產日期”則是由8位數字構成，表明感測器的生產年月份、批次（一月中的第幾批產品）。

感測器產品很多，每種感測器的外形結構、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結構及安裝接線方法。

1、 25A電流感測器

25A電流感測器一種量程很小的感測器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少，參見說明書。

2、帶線電流感測器

如常規電流感測器一樣，一般感測器都有正極（+）、負極（-）、測量端（M）及地（0）四個管腳，但帶線電流感測器則沒有此四個管腳，而是有紅、黑、黃、綠三根引線，分別對應於正極、負極、測量端及地。同時在大多感測器中有一內孔，測量原邊電流時要將導線穿過該內孔。孔徑大小與產品型號、測量電流大小有著必然的關係。

不管是什麼型號的電流感測器，安裝時管腳的接線應根據說明書所注情況進行相應連線。

（1）在測量交流電時，必須強制使用雙極性供電電源。即感測器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負極接電源的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時測量端（M）透過電阻接電源“0V”端（單指零磁通式）。

（2）在測量直流電流時，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負極與“0V”端短接，從而形成只有一個電極相接的情況。

另外，安裝時必須全面考慮產品的用途、型號、量程範圍、安裝環境等。比如感測器應儘量安裝在利於散熱的場合。

　提高測量精度的方法

除了安裝接線、即時標定校準、注意感測器的工作環境外，透過下述方法還可以提高測量精度：

1、原邊導線應放置於感測器內孔中心，儘可能不要放偏；

2、原邊導線儘可能完全放滿感測器內孔，不要留有空隙；

3、需要測量的電流應接近於感測器的標準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個額定值很高的感測器，而欲測量的電流值又低於額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的感測器去測量10A的電流時，為提高精度可將原邊導線在感測器的內孔中心繞十圈（一般情況，NP=1；在內孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與感測器的額定值相等，從而可提高精度）；

4、當欲測量的電流值為IPN/10的時，在25℃仍然可以有較高的精度。

感測器的抗干擾性

（1）電磁場

霍爾效應電流感測器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響感測器是否受外部電磁場干擾。

（2）感測器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；

（3）外部導線與感測器的距離、外部導線的形狀、位置和感測器內霍爾電極的位置；

（4）安裝感測器所使用的材料有無磁性；

（5）所使用的電流感測器是否遮蔽；

為了儘量減小外部電磁場的干擾，最好按上述要求安裝感測器。

感測器標定

1、偏移電流ISO

偏移電流必須在IP=0、環境溫度T≈25℃的條件下進行校準，（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須滿足：

VM≦RM×ISO

2、精度

在IP=IPN（AC or DC）、環境溫度T≈25℃、感測器雙極性供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量。

3、保護性測試

感測器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受到保護。對上述各項測試舉例如下：

（1）測量電路短路

此項測試必須在IP=IPN、環境溫度T≈25℃、感測器雙向供電、RM為實際應用中的電阻條件下進行，輸出與地接一開關，開關應在一分鐘之內合上和開啟。

（2）測量電路開路

此項測試條件為IP=IPN、環境溫度T≈25℃、感測器雙向供電、RM是實際應用中的電阻條件下進行，輸出與電阻接一開關，開關S應在一分鐘之內完成閉合/開啟切換動作。

（3）電源意外倒置測試

為防止電源意外倒置而使感測器損壞，在電路中專門加裝了保護二極體，此項測試可使用萬用表測試二極體兩端，測試應在IP=0、環境溫度T≈25℃、感測器不供電、不連線測量電阻的條件下進行。可使用以下兩種方法測試：

第一種：萬用表紅表筆端接感測器“M”端，萬用表黑表筆端接感測器“+”端；

第二種：萬用表紅表筆接感測器負極，萬用表黑表筆接感測器M端；

在測試中，如萬用表鳴笛，說明二極體已損壞。

八、感測器應用計算

電流感測器的主要計算公式如下：

NPIP=NSIS； 計算原邊或副邊電流

VM=RMI； 計算測量電壓

VS=RSIS； 計算副邊電壓

VA=e+VS+VM； 計算供電電壓

其中，e是二極體內部和電晶體輸出的壓降，不同型號的感測器有不同的e值。這裡我們僅以HNC-300LT為例，這種感測器的匝數比NP/NS=1/2000、標準額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的範圍為±12V~±15V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω ，在雙極性（±VA）供電，其感測器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二極體的情況下，e=1V。在上述條件下：

（1）給定供電電壓VA，計算測量電壓VM和測量電阻RM：

假設：供電電壓VA=±15V

根據上述公式得：

測量電壓VM=9。5V；

測量電阻RM=VM/IS =63。33Ω；

副邊電流IS=0。15A。

所以當我們選用63。33Ω的測量電阻時，在感測器滿額度測量時，其輸出電流訊號為0。15A ，測量電壓為9。5V。

（2）給定供電電壓和測量電阻，計算欲測量的峰值電流；

假設：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω，

則：VM+VS=（RM+RS）×IS =VA-e=14V

而：RM+RS=12W+30W=42W，

則最大輸出副邊電流：ISmax= 0。333A

原邊峰值電流：IPmax=ISmax（NS/NP）=666A

這說明，在上述條件下，感測器所能測量的最大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大於此值，感測器雖測量不出來，但感測器不會被損壞。

（3）測量電阻（負載電阻）能影響感測器的測量範圍。

測量電阻對感測器測量範圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計算出測量電阻：

其中，VAmin—扣除誤差後的最小供電電壓；

e—感測器內部電晶體的電壓降；

RS—感測器副邊線圈的電阻；

ISmax—原邊電流IP為最大值時的副邊電流值。

另外我們可以透過下式確認所選感測器的穩定性。

如果VAmin不符合上式，則會造成感測器的不穩定。一旦出現這種情況，我們可以有以下三種方法克服：

1）更換電壓更大的供電電源；

2）減小測量電阻的值；

3）將感測器更換成RS較小的感測器。

例如，某種型號的電流感測器，其標準額定電流IPN=1000A，匝數比NP/NS=1/2000，e值為1。5V，副邊電阻RS=30Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍）， 而：

IS=IP×NP/NS =0。5A

VS=RS×IS=15V

VM=RM×IS=7。5V

=24V<30V

透過以上檢驗，可知這種感測器在此條件下測量能保證穩定性。它所能測量的原邊電流的最大值（即測量範圍）=1267A

在城市用電裝置增多，農村供電裝置老化欠修的情況下，城鄉各地經常會出現電壓不穩、電路短路、過流等現象，結果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術中使用感測檢測功能可以使電源裝置更加小型化、智慧化和安全可靠。

電源技術發展到今天，已融合了電子、功率整合、自動控制、材料、感測、計算機、電磁相容、熱工等諸多技術領域的精華，我們有理由相信，在21世紀的電源技術中，感測器也將發揮著至關重要的作用，所以對電流感測器的應用和設計開發，感測器工作者應該給予足夠重視。

霍爾電流感測器因其型號多，量程寬（電流5~10000A；電壓5~5000V）、高精度、靈敏度高、線性度好、規範、易安裝、抗干擾能力強、質量可靠、平均無故障時間MTBF長等優點，在各個領域特別是在機車牽引和工業應用領域中值得使用者信賴。