霍爾電流傳感器

Hall Current Sensor

Hall current transducer

霍爾器件是一種採用半導體材料製成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢VH。

霍爾電勢VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即：VH=KHICBsinΘ

霍爾電流傳感器是按照霍爾效應原理製成，對安培定律加以應用，即在載流導體周圍產生一正比於該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能。

通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經過了電－磁－電的絕緣隔離轉換。

由於磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關係，因此霍爾器件輸出的電壓訊號U0可以間接反映出被測電流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

我們把U0定標為當被測電流I1為額定值時，U0等於50mV或100mV。這就製成霍爾直接檢測（無放大）電流傳感器。

原邊主迴路有一被測電流I1，將產生磁通Φ1，被副邊補償線圈通過的電流I2所產生的磁通Φ2進行補償後保持磁平衡狀態，霍爾器件則始終處於檢測零磁通的作用。所以稱為霍爾磁補償電流傳感器。這種先進的原理模式優於直檢原理模式，突出的優點是響應時間快和測量精度高，特別適用於弱小電流的檢測。

知道：Φ1=Φ2

I1N1=I2N2

I2=NI/N2·I1

當補償電流I2流過測量電阻RM時，在RM兩端轉換成電壓。做為傳感器測量電壓U0即：U0=I2RM

按照霍爾磁補償原理製成了額定輸入從～系列規格的電流傳感器。

由於磁補償式電流傳感器必須在磁環上繞成千上萬匝的補償線圈，因而成本增加；其次，工作電流消耗也相應增加；但它卻具有直檢式不可比擬的較高精度和快速響應等優點。

霍爾電流傳感器要想得到發展。首先就要提高靈敏度、惡劣條件下的穩定性、降低工作電壓、微功耗；其次是敏感元件及其處理電路集成化、小型化；第三必須做到功能多樣化，同一種敏感機理的敏感器，引用和融合了電子技術其他分支的相關成熟技術，可形成新功能或複合功能的新型品種；最後要便於組網，傳感器捕獲的信息便於與其上層、下層機接口和有線或無線傳輸，以利執行、保存、處理。 ^[1] 

為了測量mA級的小電流，根據Φ1=I1N1，增加N1的匝數，同樣可以獲得高磁通Φ1。採用這種方法制成的小電流傳感器不但可以測mA級電流，而且可以測電壓。

與電流傳感器所不同的是在測量電壓時，電壓傳感器的原邊多匝繞組通過串聯一個限流電阻R1，然後並聯連接在被測電壓U1上，得到與被測電壓U1成比例的電流I1。副邊原理同電流傳感器一樣。當補償電流I2流過測量電阻RM時，在RM兩端轉換成電壓作為傳感器的測量電壓U0，即 U0=I2RM

直接檢測式（無放大）電流傳感器為高阻抗輸出電壓，在應用中，負載阻抗要大於10KΩ，通常都是將其±50mV或±100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到±4V或±5V。 （a） 圖可滿足一般精度要求；（b）圖性能較好，適用於精度要求高的場合。

直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應用中，負載阻抗要大於2KΩ。

磁補償式電流、電壓磁補償式電流、電壓傳感器均為電流輸出型。“M”端對電源“O”

端為電流I2的通路。因此，傳感器從“M”端輸出的信號為電流信號。電流信號可以在一定範圍遠傳，並能保證精度，使用中，測量電阻RM只需設計在二次儀表輸入或終端控制板接口上。

為了保證高精度測量要注意：①測量電阻的精度選擇，一般選金屬膜電阻，精度≤±0.5%，詳見表1－1，②二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應大於測量電阻100倍以上。

從前面公式知道

U0=I2RM

RM=U0/I2

式中：U0－測量電壓，又叫取樣電壓（V）。

I2－副邊線圈補償電流（A）。

RM－測量電阻（Ω）。

計算時I2可以從磁補償式電流傳感器技術參數表中查出與被測電流（額定有效值）I1相對應的輸出電流（額定有效值）I2。假如要將I2變換成U0=5V，RM選擇詳見表1－1。

輸出電流I2的迴路是：V+→末級功放管集射極→N2→RM→0，迴路等效電阻。（V-～0的迴路相同，電流相反）

當輸出電流I2最大值時，電流值不再跟着I1的增加而增加，我們稱為傳感器的飽和點。

按下式計算

I2max=V+-VCES/RN2+RM

式中：V+－正電源（V）。

VCES－功率管集射飽和電壓，（V）一般為0.5V。

RN2－副邊線圈直流內阻（Ω），詳見表，1－2。

RM－測量電阻（Ω）。

從計算可知改變測量電阻RM，飽和點隨之也改變。當被測電阻RM確定後，也就有了確定的飽和點。根據下式計算出最大被測電流I1max：I1max=I1/I2·I2max

在測量交流或脈衝時，當RM確定後，要計算出最大被測電流I1MAX，如果I1max值低於交流電流峯值或低於脈衝幅值，將會造成輸出波形削波或限幅現象，此種情況可將RM選小一些來解決。

電壓傳感器原邊與副邊抗電強度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以測量直流、交流、脈衝電壓。在測量電壓時，根據電壓額定值，在原邊+HT端串一限流電阻，即被測電壓通過電阻得到原邊電流

U1/R1=I1、R1=U1/10mA（KΩ），電阻的功率要大於計算值2～4倍，電阻的精度≤±0.5%。R1精密線繞功率電阻，可由廠方代訂。

電流傳感器的接線方法

（1） 直檢式（無放大）電流傳感器接線圖。

（a） 圖是P型（印板插腳式）接發，（b）圖是C型（插座插頭式）接法，VN.、VN表示霍爾輸出電壓。

（2） 直檢放大式電流傳感器接線圖。

（a） 圖是P型接法，（b）圖是C型接法，圖中U0表示輸出電壓，RL表示負載電阻。

（3） 磁補償式電流傳感器接線圖。

（a） 圖是P型接法，（b）圖是C型接法（注意四針插座第三針是空腳）

以上三種傳感器的印板插腳式接法同實物的排列方法是一致的，插座插頭接法同實物的排列方法也是一致的，以免接線錯誤。

在以上接線圖上，主迴路被測電流I1在穿孔中有一箭頭示出了電流正方向，實物外殼上也標明瞭電流正方向，這是電流傳感器規定了被測電流I1的電流正方向與輸出電流I2是同極性的。這在三相交流或多路直流檢測量中是致關重要的。

電流傳感器是一種有源模塊，如霍爾器件、運放、末級功率管，都需要工作電源，並且還有功耗，實用的典型工作電源原理圖。

（1） 輸出地端集中接大電解上以利降噪。

（2） 電容位uF，二極管為1N4004。

（3） 變壓器根據傳感器功耗而定。

（4） 傳感器的工作電流。

直檢式（無放大）耗電：最大5mA；直檢放大式耗電：最大±20mA；磁補償式耗電：20+輸出電流；最大消耗工作電流20+輸出電流的2倍。根據消耗工作電流可以計算出功耗。

（1）非接觸檢測。在進口設備的再改造中，以及老舊設備的技術改造中，顯示出非接觸測量的優越性；原有設備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數值。

（2）使用分流器的弊端是不能電隔離，且還有插入損耗，電流越大，損耗越大，體積也越大，人們還發現分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性，不能真實傳遞被測電流波形，更不能真實傳遞非正弦波型。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端，且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣，如精度0.5、1.0級，輸出電壓50、75mV和100mV均可。

（3）使用非常方便，取一隻LT100－C型電流傳感器，在M端與電源零端串入一隻100mA的模擬表頭或數字萬用表，接上工作電源，將傳感器套在電線迴路上，即可準確顯示主迴路0～100A電流值。

（4）傳統的電流電壓互感器，雖然工作電流電壓等級多，在規定的正弦工作頻率下有較高的精度，但它能適合的頻帶非常窄，且不能傳遞直流。此外，工作時存在激磁電流，所以這是電感性器件，使它在響應時間上只能做到數十毫秒。眾所周知的電流互感器二次側一旦開路將產生高壓危害。在使用微機檢測中需信號的多路採集，人們正尋求能隔離又能採集信號的方法。電流電壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優點，又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺陷，給微機檢測等自動化管理系統提供了模數轉換的機會。在使用中，傳感器輸出信號既可直接輸入到高阻抗模擬表頭或數字面板表，也可經二次處理，模擬信號送給自動化裝置，數字信號送給計算機接口。

在3KV以上的高壓系統，電流、電壓傳感器都能與傳統的高壓互感器配合，替代傳統的電量變送器，為模數轉換提供方便。

（5）傳統的檢測元件受規定頻率、規定波形，響應滯後等很多因素的限制，不能適應大功率變流技術的發展，應運而產生的新一代霍爾電流電壓傳感器，以及電流電壓傳感器與真有效枝AC/DC轉換器組合成為一體化的變送器，已成為人們熟知最佳檢測模塊。另外，電子電力裝置向高頻化、模塊化、組件化、智能化發展，使裝置設計者得心應手，這將是電子電力技術史上劃時代的根本性變革。

1. 測量範圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈衝、三角波形等，甚至對瞬態峯值電流、電壓信號也能忠實地進行反映;

2. 響應速度快：最快者響應時間只為1us。

3. 測量精度高：其測量精度優於1%，該精度適合於對任何波形的測量。普通互感器是感性元件，接入後影響被測信號波形，其一般精度為3%~5%，且只適合於50Hz 正弦波形。

4. 線性度好：優於0.2%

5. 動態性能好：響應時間快，可小於1us;普通互感器的響應時間為10~20ms。

6. 工作頻帶寬：在0~100KHz 頻率範圍內的信號均可以測量。

7. 可靠性高，平均無故障工作時間長：平均無故障時間＞5 10 小時

8. 過載能力強、測量範圍大：0---幾十安培~上萬安培

9. 體積小、重量輕、易於安裝。

由於霍爾電流電壓傳感器以上的優點，故而可廣泛應用與變頻調速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機、電解電鍍、數控機牀、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測電流電壓的各個領域中。

性能指標：

* 執行標準：IEC688：1992，QB

* 輸入範圍：0~800A內可選 如0~100 A，0~500A等

* 精度等級：≤1.0%.F.S

* 線 性 度：優於0.2%

*響應時間：≤1Us

* 頻率特性：0~100KHz* 失調電壓：≤20mV

* 温度特性：≤150PPM/℃(0~50℃)

* 整機功耗：≤30 mA+Ig

* 隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間 AC2.0KV/min*1mA

* 過載能力：2倍電流連續，30倍1秒

* 阻燃特性：UL94-V0

* 工作環境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

* 貯存環境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

1.原邊導線應放置於傳感器內孔中心，儘可能不要放偏；

2.原邊導線儘可能完全放滿傳感器內孔，不要留有空隙；

3.需要測量的電流應接近於傳感器的標準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個額定值很高的傳感器，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的傳感器去測量10A的電流時，為提高精度可將原邊導線在傳感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與傳感器的額定值相等，從而可提高精度)； ^[2] 

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。

霍爾傳感器不論是開環還是閉環原理，基本的性能區別不大，基本的優點在於：響應時間快、低温漂、精度高、體積小、頻帶寬、抗干擾能力強、過載能力強。

基本是HIA-C01和HIB-C15兩種閉環原理的霍爾電流傳感器較多，基本應用方式是HIA-C01霍爾電流傳感器檢測前端每一塊電池板的發電情況，輸出信號給信號採集裝置，由信號採集裝置經過採集、信號轉換等步驟，有線傳輸至控制中心，由控制中心統一對各個陣列的發電情況進行監控。

A.選擇電流傳感器時需要注意穿孔尺寸是否能夠保證電線可以穿過傳感器；

B.選擇電流傳感器時需要注意現場的應用環境是否有高温、低温、高潮濕、強震等特殊環境；

C.選擇電流傳感器時需要注意空間結構是否滿足。

A.接線時注意接線端子的裸露導電部分，儘量防止ESD衝擊，需要有專業施工經驗的工程師才能對該產品進行接線操作。電源、輸入、輸出的各連接導線必須正確連接，不可錯位或反接，否則可能導致產品損壞。

B.產品安裝使用環境應無導電塵埃及腐蝕性。

C.劇烈震動或高温也可能導致產品損壞，必須注意使用場合。

（1）電流傳感器必須根據被測電流的額定有效值適當選用不同的規格的產品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補償式），一般情況下，2倍的過載電流持續時間不得超過1分鐘。

（2）電壓傳感器必須按產品説明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續時間不得超過1分鐘。

（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當被測電流高於電流傳感器的額定值時，應選用相應大的傳感器；當被測電壓高於電壓傳感器的額定值時，應重新調整限流電阻。當被測電流低於額定值1/2以下時，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數的辦法。

（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統和1.5KV及以下直流系統中，6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統和2.5KV及以下直流系統中，注意不要超壓使用。

（5）在要求得到良好動態特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排並與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數，均會影響動態特性。

（6）在大電流直流系統中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流並逐漸減小其值。

（7）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流佈線時，相間距離應大於5～10cm。

（8）為了使傳感器工作在最佳測量狀態，應使用介紹的簡易典型穩壓電源。

（9）傳感器的磁飽和點和電路飽和點，使其有很強的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。

（10）原邊電流母線温度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用户有特殊要求，可選高温塑料做外殼。

開環的霍爾電流傳感器採用的是霍爾直放式原理，閉環的霍爾電流傳感器採用的是磁平衡原理。所以閉環的在響應時間跟精度上要比開環的好很多。開環和閉環都可以監測交流電，一般開環的適用於大電流監測，閉環適用於小電流監測。

開環式霍爾傳感器的工作過程：

原邊電流(Ip)通過一根導線時，在導線四周將會產生一個磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它能通過磁芯聚集感應到霍爾器件上並使其有一信號輸出。這一信號經信號放大器放大後直接輸出，霍爾器件輸出的信號準確反映了原邊電流的輸出情況。

優點：封裝尺寸小 ，測量範圍廣 ，重量輕，低電源損耗，無插損

閉環霍爾電流傳感器的工作過程：

當原邊電流IP產生的磁通通過磁芯集中在磁路中，霍爾器件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流，用於抵消原邊電流(IP)產生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。霍爾器件和輔助電路產生的副邊補償電流準確反映了原邊電流的大小。經過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。