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                            淺談霍爾電流傳感器的應用

                            發布時間:2021-01- 04點擊量:0

                            一、前言 
                            伴隨著城市人口和建設規模的擴大,各種用電設備的增多,用電量越來越大,城市的供電設備經常超負荷運轉,用電環境變得越來越惡劣,對電源的“考驗”越來越嚴重。據統計,每天,用電設備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾,電子設備故障的60%來自電源[7]。因此,電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角,資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視,電源技術遂發展成為一門嶄新的技術。
                            而今,小小的電源設備已經融合了越來越多的新技術。例如開關電源、硬開關、軟開關、參數穩壓、線性反饋穩壓、磁放大器技術、數控調壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源技術不斷發展和進步,為了自動檢測和顯示電流,并在過流、過壓等危害情況發生時具有自動保護功能和更高級的智能控制,具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術漸成趨勢,檢測電流或電壓的傳感器便應運而生并在我國開始受到廣大電源設計者的青睞,本文主要介紹電流傳感器。
                            二、電流傳感器的工作原理
                            電流傳感器可以測量各種類型的電流,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傳感器時,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,內置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,通過后續電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流IS,并存在以下關系式:
                                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。
                                電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS,它與輸入信號(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信號。
                            2、傳感器供電電壓VA
                            VA指電流傳感器的供電電壓,它必須在傳感器所規定的范圍內。超過此范圍,傳感器不能正常工作或可靠性降低,另外,傳感器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負極供電電壓VA-。要注意單相供電的傳感器,其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍,所以其測量范圍要相供高于雙電的傳感器。
                            3、測量范圍Ipmax
                            測量范圍指電流傳感器可測量的最大電流值,測量范圍一般高于標準額定值IPN。
                            三、電流傳感器主要特性參數
                            1、標準額定值IPN和額定輸出電流ISN
                            IPN指電流傳感器所能測試的標準額定值,用有效值表示(A.r.m.s),IPN的大小與傳感器產品的型號有關。 ISN指電流傳感器額定輸出電流,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
                            偏移電流也叫殘余電流或剩余電流,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。電流傳感器在生產時,在25℃,IP=0時的情況下,偏移電流已調至最小,但傳感器在離開生產線時,都會產生一定大小的偏移電流。產品技術文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。
                            3、 線性度
                            線性度決定了傳感器輸出信號(副邊電流IS)與輸入信號(原邊電流IP)在測量范圍內成正比的程度,南京中旭電子科技有限公司的電流傳感器線性度要優于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是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值。
                            5、 過載
                            電流傳感器的過載能力是指發生電流過載時,在測量范圍之外,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傳感器的允許值,過載電流值傳感器一般測量不出來,但不會對傳感器造成損壞。
                            6、 精度
                            霍爾效應傳感器的精度取決于標準額定電流IPN。在+25℃時,傳感器測量精度與原邊電流有一定影響,同時評定傳感器精度時還必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。
                            四、傳感器型號、結構和安裝方法
                            傳感器產品標簽一般由“傳感器產品型號”和“生產日期”兩部分構成?!皞鞲衅鳟a品型號”用于標明傳感器的型號、額定測量值、工作電源及接線指示,“傳感器生產日期”則是由8位數字構成,表明傳感器的生產年月份、批次(一月中的第幾批產品)。
                            傳感器產品很多,每種傳感器的外形結構、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、 HNC025A電流傳感器
                            HNC-025A電流傳感器是一種量程很小的傳感器,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、帶線電流傳感器
                            如常規電流傳感器一樣,一般傳感器都有正極(+)、負極(-)、測量端(M)及地(0)四個管腳,但帶線電流傳感器則沒有此四個管腳,而是有紅、黑、黃、綠三根引線,分別對應于正極、負極、測量端及地。同時在大多傳感器中有一內孔,測量原邊電流時要將導線穿過該內孔??讖酱笮∨c產品型號、測量電流大小有著必然的關系。
                            管是什么型號的電流傳感器,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。即傳感器的正極(+)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)通過電阻接電源“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、量程范圍、安裝環境等。比如傳感器應盡量安裝在利于散熱的場合。
                            五、提高測量精度的方法
                            除了安裝接線、即時標定校準、注意傳感器的工作環境外,通過下述方法還可以提高測量精度:
                            1、原邊導線應放置于傳感器內孔中心,盡可能不要放偏;
                            2、原邊導線盡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于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于額定值很多,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);
                            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。
                            六、傳感器的抗干擾性
                            1、電磁場
                            霍爾效應電流傳感器,利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。

                            1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化;
                            2)外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器內霍爾電極的位置;
                            3)安裝傳感器所使用的材料有無磁性;
                            4)所使用的電流傳感器是否屏蔽;
                            為了盡量減小外部電磁場的干擾,最好按上述要求安裝傳感器。
                            七、傳感器標定
                            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
                            IP=IPN(AC or DC)、環境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量。
                            3、保護性測試
                            傳感器在測量電路短路、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℃、傳感器雙向供電、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打開。
                            2)測量電路開路
                            此項測試條件為IP=IPN、環境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、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/打開切換動作。
                            3)電源意外倒置測試
                            為防止電源意外倒置而使傳感器損壞,在電路中專門加裝了保護二極管,此項測試可使用萬用表測試二極管兩端,測試應在IP=0、環境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進行??墒褂靡韵聝煞N方法測試:
                            第一種:萬用表紅表筆端接傳感器“M”端,萬用表黑表筆端接傳感器“+”端;
                            第二種:萬用表紅表筆接傳感器負極,萬用表黑表筆接傳感器M端;
                            在測試中,如萬用表鳴笛,說明二極管已損壞。
                            八、傳感器應用計算
                            根據圖13,電流傳感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是二極管內部和晶體管輸出的壓降,不同型號的傳感器有不同的e值。這里我們僅以HNC-300LT為例,這種傳感器的匝數比NP/NS=1/2000、標準額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的范圍為±12V~±15V(±5%)、副邊電阻RS=30Ω ,在雙極性(±VA)供電,其傳感器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二極管的情況下,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 =63.33 Ω ;
                            副邊電流IS=0.15A。
                            所以當我們選用63.33 Ω 的測量電阻時,在傳感器滿額度測量時,其輸出電流信號為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=12 Ω ,
                            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,傳感器所能測量的最大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大于此值,傳感器雖測量不出來,但傳感器不會被損壞。
                            3)測量電阻(負載電阻)能影響傳感器的測量范圍。
                            測量電阻對傳感器測量范圍也存在影響,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—扣除誤差后的最小供電電壓;
                            e—傳感器內部晶體管的電壓降;
                            RS—傳感器副邊線圈的電阻;
                            ISmax—原邊電流IP為最大值時的副邊電流值。
                            另外我們可以通過下式確認所選傳感器的穩定性。
                            如果VAmin不符合上式,則會造成傳感器的不穩定。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)將傳感器更換成RS較小的傳感器。
                            例如,某種型號的電流傳感器,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=30 Ω ,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
                            通過以上檢驗,可知這種傳感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(即測量范圍)為:
                            =1267A
                            九、結束語
                            在城市用電設備增多,農村供電設備老化欠修的情況下,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。在電源技術中使用傳感檢測功能可以使電源設備更加小型化、智能化和安全可靠。
                            電源技術發展到今天,已融合了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容、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,傳感器也將發揮著至關重要的作用,所以對電流傳感器的應用和設計開發,傳感器工作者應該給予足夠重視。
                            傳感器因其型號多,量程寬(電流5~10000A;電壓5~5000V)、高精度、靈敏度高、線性度好、規范、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用戶信賴。

                            來源:中國自動化網

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