霍尔电流传感器

霍尔电流传感器 霍尔器件的工作原理 在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图,所示: 这个电压和磁场及控制电流成正比: V,K?,H?I, HC 式中V为霍尔电压，H为磁场，I为控制电流，K为霍尔系数。 HC 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即: I?B?VH 其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应原理而制成的电流和电压传感器。根据对霍尔电势处理的方式不同，霍尔传感器又可分为以下两类: 第一类是直接将霍尔电势做适当放大处理以后提供给检测仪器或控制设备，就是所谓的直接检测式霍尔电流传感器。这种传感器耐压等级高，成本低，性能稳定，但精度受温度变化影响大，动态响应特性很不理想。我公司采用电路补偿，圆满解决以上问题。 第二类是磁场平衡式霍尔传感器，它采用了单或双霍尔元件，并工作在零磁通状态，且有以下特点:?测量范围宽，可测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等。?电气隔离性能好。?测量精度高，线性度好。?抗外界电磁和温度等因素的干扰能力强。?电流上升率大，响应速度快。?过载能力强。?体积小，重量轻，安装简单、方便。目前的产品中以磁场平衡式霍尔传感器为主。 二、电流、电压传感器的工作原理 2.1、 直测式电流传感器原理 开环直测式电流传感器 原边电流I产生的磁通量聚集在磁路中并由霍尔器件检测出信号经放大，该电压信号精确P 反映原边电流。特性:耗电量小 高品质、低价位。 2.2、零磁通闭电环流传感器 原边电流I产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的电流通过付边线圈所产生的磁通量相平P 衡。付边电流精确的反映原边电流。特性:频率范围宽 精度高。 2.3、零磁通闭环电压传感器 将原边电压通过电阻R转变为原边电流I，工作原理与电流传感器的相同。 1P 2.4磁调制原理 2.5霍尔传感器的工作原理 磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、放大器等组成，如图所示。其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为: 当原边回路有一大电流I流过时，在导线周围产生一个强的磁场H，这一磁场被聚磁环聚PP 集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出U，这一信号经放大器N放大，再输入到功率h 放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流I。由于这一电流要通过很多匝s 绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流所产生的磁场H方向相反，因而相互抵消，p 引起磁路中总的磁场变小，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当I与匝数相乘所产生的磁场s H与I所产生的磁场H相等时，达到磁场平衡，I不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通spps 检测状态。 上述过程是在非常短的时间内完成的，这一平衡的建立所需时间在,μs之内，且是一个动态平衡过程，即:原边电流Ip的任何变化都会破坏这一磁场平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈对其进行补偿。因此从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时刻都与原边电流的安匝数相等，即: |NpIp|=|NsIs| 其中:Np为原边匝数，Ip原边电流;Ns为次级匝数，Is为次级电流。 所以，若已知Np、Ns，测得Is，即可得到原边电流Ip的大小。利用同样的原理，可进行电压测量，只需在原边线圈回路中串联一个电阻R1，将原边电流Ip转换成被测电压Up。 即:Up=(R1+Rin)Ip=(R1+Rin)NsIs/Np 式中Rin为原边内阻。 磁平衡式电流电压传感器测量输出信号为电流形式Is。若要获得电压的输出形式，用户需在M端和电源零点之间串一只电阻Rm，并在其上取电压Um，如图所示，串联电阻的大小由下式限定: Rmmax=(Emin-Uces-IsRi)/Is 其中:Emin为电源输出最小电压，Ri为传感器次级内阻，Uces为输出功率管的饱和压降。 用户可取的最大电压为:Ummax=Rmmax?Is 2)霍尔传感器主要性能指标 (,)电流测量准确度优于1% (,)响应时间:小于,μs (,)电流跟踪速度di/dt，大于,,A,μs，若原边与次边耦合较好时，可达,,,A/μs以上。 (,)频率响应:在0-100kHz范围内误差小于,,，在,,,kHz范围内误差小于,.,,。 (,)电源要求: 电源主要为传感器提供两部分电流，一部分是本身内部电路的消耗，另一部分是在测量时所需要的最大补偿电流。 如果测量的电流是直流信号，则可以用单向电源供电。 3)霍尔传感器使用注意事项 (,)为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。 (,)使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度(故使用时要先接通电源和测量端M)，发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。 (,)在大多数场合，霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有:?调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小?在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩?选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。 (,)测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，即:IpNp=额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过,,?。 三，磁平衡传感器性能指标 3.1测量精度:优于1%?In 测量精度包括以下几个方面: ,) 放大器的失调电压产生的失调电流及霍耳器件的不等位电位所引起的误差小于0.1 安匝。 -4,) 模块随温度变化产生漂移而引起的误差小于10In/?。 ,) 磁性材料的误差限制在0.5安匝之内。 ,) 线性度:优于0.1%?In。总的误差不超过,安匝。 3.2响应时间:小于1μs 3.3跟踪速度di/dt，高于50A/μs,若原边与副边耦合最佳时，可达到100A/μs。 3.4频率响应:在0-100kHz范围内误差小于1% 在0-5kHz范围内误差小于0.5%。 3.5测量范围:测量电流的最大值主要取决于电源所能提供的副边补偿电流Is的能力，为了具有说明，把电路的后部分简化为图六。 Is的最大值依赖于下面几个参数: 电源电压:V 内部电阻Ri的压降:Vi=Ri×Is 外部电阻Rm的压降:Vm=Rm×Is 输出功率管的饱和压降 Vces Is max=(V-Vces)/(Ri+Rm) 在确定测量范围时，还应考虑到元件和材料所能允许的最大的热耗散。 3.6对电源要求: 要求电源提供两部分电流:一部分是内部电路的消耗，另一部分是在测量时所需要的最大补偿电流。 四、霍尔传感器的特点(与普通互感器比较) 4.1霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如:直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。 4.2、原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。 4.3、精度高:在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。 4.4、线性度好:优于0.1% 4.5、动态性能好:响应时间小于,μs跟踪速度di/dt高于50A/μs 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。 4.6、工作频带宽:在0-100kHz频率范围内精度为,,。在,,,kHz频率范围内精度为0.5%。 4.7、测量范围:霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。 4.8、过载能力强:当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的,,倍时，模块也不会损坏。 4.9、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。 4.10、模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μs的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。 4.11、模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如:在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。 -64.12、可靠性高:失效率:λ=0.43?10/小时 4.13、抗外磁场干扰能力强:在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流(2Ip)的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。 五、型号说明 ,、前三个字母表示霍尔效应电流传感器分类:DCH表示开环，直放式霍尔效应电流传感器， 输出多为电压(V)。DBC表示闭环，磁平衡霍尔效应电流传感器，输出多为电流(mA);也有少部分转换成电压(V)输出。DVC表示闭环，霍尔效应电压传感器，输出形式同上。DDC表示直流小电流传感器，磁调制原理，输出形式同上。DZ表示转换器。 ,、中间数字表示上述传感器的额定值 电流传感器为安培(A)，电压传感器为安匝(IT)或最高工作电压(V)。 一、后辍字母表示内孔及安装固定方式 矩形窗口(内孔)，螺钉固定，插座输出，不加字母。圆形内孔用O表示，线路板安装 用P表示。单电源用D表示。可拆卸结构用K表示。 二、特殊说明，用通用技术语言表示。 我公司大规格(,KA以上)霍尔电流传感器与国内外同类产品比较主要特点如下: ,、 磁路采用去剩磁技术措施，磁失调<0.05%。一般产品磁失调达百分级，已接触到国 外公司产品也不例外。部分产品由于过载产生剩磁，可使产品报废。 ,、 本产品对外磁场干扰，采用外磁场抵消法;双路磁路使干扰磁场相对抵消。而信号 磁场在强磁场状态，外磁场比信号磁场弱，影响可忽略。 ,、 电路采用双恒温措施，减少温漂，提高稳定度。 大型电流传感器采用多霍尔对称部局、强信号磁场，大大减轻了霍尔元件的不等位影响。 上述技术措施，本公司大型电流传感具有如下特点: (,) 高准确度、高稳定性、高可靠性，可适用任何工作现场。在任何场所均能做到零点 归零。实现稳定、可靠、准确的测量、控制。 我公司生产大电流直放式电流传感器，多年研究，性能优异。 (,) 体积小、重量轻、结构紧凑、安装方便、不需要现场调试与目前的磁平衡电流传感 器比较与相关产品性能比较: 同类产品 DCH电流传感器(烟电流互感器 霍尔零磁通比较仪 台华冠电器公司产(美国公司产品) 品) 量程 2KA-300KA 6KA-100KA 6KA-240KA 温度附加误差 0.5%-0.05%/10? 0.1%-0.05%/10? 线性度 0.5%-0.05% 50%以上无线性 0.2%-0.05% 功耗W/100KA 10 21600 2000 可靠性 高 高 差 DCH电流传感器替代电流互感器节约能源产生效益，,,,年即可收回投资。 霍尔电流传感器应用: <三>大电流霍尔电流传感器的应用 主要应用于化工、冶金、电力、机电、交通、通讯、计量等。 (,) 化工行业:主要用于烧碱、盐酸生产电解Nacl，电解盐、碳素，合成橡胶生产等。 (,) 冶金行业:主要应用电解铝、电解铜，金属加温、熔炼等。 (,) 机电行业:主要应用于电机拖动系统、变频调速、电机保护、控制设备、焊机、电 源。 (,) 电力行业:主要应用于发电、输电、配电计量与控制，漏电检测等。 (,) 交通行业:主要应用于火车电力机车、地铁电力机车、内燃机车、船舶、最近已应 用电动摩托车、电动自行车。 (,) 电讯:主要应用于电讯电源、UPS电源等。 (,) 轻工家电行业:如电镀、变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等。