霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問(wèn)題

霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，從霍爾元件的控制電流端通入電流Ic，并在霍爾 元件平面的法線方向上施加磁場(chǎng) 強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，那么在垂直于 電流和磁場(chǎng)方向(即霍爾輸出端 之間)，將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)VH，稱 其為霍爾電勢(shì)，其大小正比于控 制電流I。與磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積。 即有式中：K為霍爾系數(shù)，由霍爾元件的材料決定;I。為控制電流;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度; VH為霍爾電勢(shì)。

霍爾電流傳感器的原理

霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì)VH?；魻栯妱?shì)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(yīng)原理制成，對(duì)安培定律加以應(yīng)用，即在載流導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來(lái)測(cè)量這一磁場(chǎng)。因此，使電流的非接觸測(cè)量成為可能。通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小間接測(cè)量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過(guò)了電-磁-電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。

工作原理

1、 直放式(開(kāi)環(huán))電流傳感器(CS系列)

當(dāng)原邊電流IP流過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測(cè)量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為4V。

2、磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器(CSM系列)

磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)測(cè)試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。因此，從宏觀上看，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等。

3、霍爾電壓(閉環(huán))傳感器(VSM系列)

霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)式電流傳感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原邊電壓VP通過(guò)限流電阻Ri產(chǎn)生電流，流過(guò)原邊線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件輸出信號(hào)控制的補(bǔ)償電流IS流過(guò)副邊線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流IS精確的反映原邊電壓VP。

4、交流電流傳感器(A-CS系列)

交流電流傳感器主要測(cè)量交流信號(hào)燈電流。是將霍爾感應(yīng)出的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)AC-DC及其他轉(zhuǎn)換，變?yōu)?～4V、0～20mA(或4～20mA)的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)輸出供各種系統(tǒng)使用。

工作過(guò)程

開(kāi)環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。所以閉環(huán)的在響應(yīng)時(shí)間跟精度上要比開(kāi)環(huán)的好很多。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)都可以監(jiān)測(cè)交流電，一般開(kāi)環(huán)的適用于大電流監(jiān)測(cè)，閉環(huán)適用于小電流監(jiān)測(cè)。

開(kāi)環(huán)式霍爾傳感器的工作過(guò)程：

原邊電流(Ip)通過(guò)一根導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線四周將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，它能通過(guò)磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，霍爾器件輸出的信號(hào)準(zhǔn)確反映了原邊電流的輸出情況。

優(yōu)點(diǎn)：封裝尺寸小 ，測(cè)量范圍廣 ，重量輕，低電源損耗，無(wú)插損

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作過(guò)程：

當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過(guò)磁芯集中在磁路中，霍爾器件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過(guò)繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊電流(IP)產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零?；魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補(bǔ)償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小。經(jīng)過(guò)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。

霍爾傳感器的磁飽和問(wèn)題

許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料的也將無(wú)磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)來(lái)宣傳?；魻栯娏鱾鞲衅鞑粫?huì)發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來(lái)就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

事實(shí)是不是這樣呢?

事實(shí)上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會(huì)發(fā)生磁飽和!

1、開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：

圖1 霍爾電流傳感器磁芯的磁化曲線

圖中，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’a為飽和區(qū)。眾所周期，為了獲取較好的測(cè)量結(jié)果，不論是開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會(huì)將磁化曲線中線性度較好的一段作為工作區(qū)間。換言之，只要磁感應(yīng)強(qiáng)度超出線性區(qū)域一定的范圍，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

與電磁式互感器相比，開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和原因只有一個(gè)，就是原邊電流足夠大。

不會(huì)因?yàn)殡娏黝l率低導(dǎo)致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，也是開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點(diǎn)。

相比之下，電磁式互感器也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是二次負(fù)荷足夠小時(shí)，即便過(guò)載較多，也不會(huì)發(fā)生磁飽和。

2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題較簡(jiǎn)單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題似乎不可理解，因?yàn)殚]環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時(shí)，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會(huì)飽和。

然而，這只能將是在正常工作條件下!

事實(shí)上，即便是電磁式電流互感器或開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題都是發(fā)生在過(guò)載，頻率過(guò)低，負(fù)荷過(guò)大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會(huì)發(fā)生磁飽和!

從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個(gè)零磁通呢?

顯然不是!

A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

B、正常供電，原邊電流過(guò)大。這是因?yàn)槎窝a(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)時(shí)，磁平衡被打破，磁芯中有磁場(chǎng)通過(guò)，原邊電流繼續(xù)加大時(shí)，磁芯中磁場(chǎng)也隨著增大，原邊電流足夠大時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)!

與電磁式電流互感器及開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會(huì)發(fā)生，使用不當(dāng)或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，也會(huì)發(fā)生磁飽和。