霍爾電流傳感器概述

　　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)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來測(cè)量這一磁場(chǎng)。因此，使電流的非接觸測(cè)量成為可能。

　　霍爾電流傳感器可分為直檢式和閉環(huán)式霍爾電流傳感器。

　　霍爾效應(yīng)在1879年被E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。

　　霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)將一次大電流變換為二次微小電壓信號(hào)的傳感器。實(shí)際設(shè)計(jì)的霍爾傳感器往往通過運(yùn)算放大器等電路，將微弱的電壓信號(hào)放大為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)。上述原理制作而成的霍爾電流傳感器，被稱為直檢式霍爾電流傳感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器。

　　閉環(huán)式霍爾電流傳感器，也稱零磁通霍爾電流傳感器或磁平衡式霍爾電流傳感器，是基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理，當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過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IP產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)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。

　　霍爾電流傳感器主要特性參數(shù)

　　1、標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN和額定輸出電流ISN

　　IPN指電流傳感器所能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號(hào)有關(guān)。ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為10~400mA，當(dāng)然根據(jù)某些型號(hào)具體可能會(huì)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(yùn)算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳感器在生產(chǎn)時(shí)，在25℃，IP=0時(shí)的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定大小的偏移電流。產(chǎn)品技術(shù)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(hào)（副邊電流IS）與輸入信號(hào)（原邊電流IP）在測(cè)量范圍內(nèi)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(yōu)于0.5%。

　　4、溫度漂移

　　偏移電流ISO是在25℃時(shí)計(jì)算出來的，當(dāng)霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時(shí)，ISO會(huì)產(chǎn)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(fā)生電流過載時(shí)，在測(cè)量范圍之外，原邊電流仍會(huì)增加，而且過載電流的持續(xù)時(shí)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(cè)量不出來，但不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。

　　6、精度

　　霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)額定電流IPN。在+25℃時(shí)，傳感器測(cè)量精度與原邊電流有一定影響，同時(shí)評(píng)定傳感器精度時(shí)還必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

　　霍爾電流傳感器的測(cè)量方法

　　1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏;

　　2、原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙;

　　3、需要測(cè)量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的傳感器，而欲測(cè)量的電流值又低于額定值很多，為了提高測(cè)量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測(cè)量10A的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞十圈（一般情況，NP=1;在內(nèi)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(dāng)欲測(cè)量的電流值為IPN/10的時(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。

　　霍爾電流傳感器的使用注意事項(xiàng)

　　A、接線時(shí)注意接線端子的裸露導(dǎo)電部分，盡量防止ESD沖擊，需要有專業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)的工程師才能對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行接線操作。電源、輸入、輸出的各連接導(dǎo)線必須正確連接，不可錯(cuò)位或反接，否則可能導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。

　　B、產(chǎn)品安裝使用環(huán)境應(yīng)無導(dǎo)電塵埃及腐蝕性

　　C、劇烈震動(dòng)或高溫也可能導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，必須注意使用場(chǎng)合。

　　霍爾電流傳感器如何測(cè)量電流

　　三種方式可以測(cè)量霍爾電流傳感器的電流：

　　1、用霍爾電流傳感器;霍爾電流傳感器最大的可以達(dá)到幾十萬A，完全可以檢測(cè)，不過成本比較高。

　　2、如果是交流電流的話，可以用交流電流互感器;輸出信號(hào)是AC0-1A或者AC0-5A信號(hào)，數(shù)顯表和變送器都可以來接收這個(gè)信號(hào)。

　　3、羅氏線圈;羅氏線圈只能檢測(cè)工頻交流電流，還需要一個(gè)外置的積分器，最后滿量程輸出的電壓是原始波形的AC0-1V，你可以給數(shù)顯表或者給變送器在進(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)換。

　　霍爾電流傳感器的應(yīng)用

　　1繼電保護(hù)與測(cè)量：在工業(yè)應(yīng)用中，來自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，如分別經(jīng)三只霍爾電流傳感器，按比例轉(zhuǎn)換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運(yùn)算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號(hào)，可送微機(jī)進(jìn)行測(cè)量或處理。在這里使用霍爾電流傳感器可以很方便地實(shí)現(xiàn)了無畸變、無延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

　　2、在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用：在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器可以直接代替電流互感器，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對(duì)晶閘管進(jìn)行過載保護(hù)。

　　3、在逆變器中的應(yīng)用：在逆變器中，用霍爾電流傳感器可進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。

　　4、在不間斷電源中的應(yīng)用：在該應(yīng)用中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。使用霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，霍爾電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，霍爾電流傳感器3控制浮充電源。由于其響應(yīng)速度快，霍爾電流傳感器特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。

　　5、在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用：在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控制作用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，又不致引入損耗。

　　6、用于電車斬波器的控制：電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。而將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。

　　7、在交流變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用：用變頻器來對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10％以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間往往小于5μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶全管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

　　8、用于電能管理：霍爾電流傳感器，可安裝到配電線路上進(jìn)行負(fù)載管理?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵龊陀?jì)算機(jī)連接起來，對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過載，便及時(shí)使受控的線路斷開，保證用電設(shè)備的安全。用這種裝置，也可進(jìn)行負(fù)載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等。

　　9、在接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用：在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電安全。

　　10、在電網(wǎng)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用：電力系統(tǒng)無功功率的自動(dòng)補(bǔ)償，是指補(bǔ)償容量隨負(fù)荷和電壓波動(dòng)而變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投入和切除電容器，避免補(bǔ)償過程中出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟(jì)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無功功率的自動(dòng)采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來進(jìn)行，由于它們的響應(yīng)速度快，且無相位差，在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確”上會(huì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

　　11、霍爾鉗形電流表：將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。12、電功率測(cè)量：將負(fù)載電壓進(jìn)行變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，霍爾電流傳感器輸出的霍爾電壓即可指示功率，以構(gòu)成霍爾功率計(jì)。

　　12、在力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用：在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量一般用電力工頻諧波儀來進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，人們?cè)鴮⒏鞣N電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明霍爾電流傳感器最為適用。

　　13、開關(guān)電源中的應(yīng)用：近代出現(xiàn)的開關(guān)電源，是將電網(wǎng)的非穩(wěn)定的交流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓輸出的功率變換裝置。無論是電壓控制型還是電流控制型開關(guān)電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關(guān)系來維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來完成?；魻栯娏?、電壓傳感器以其頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間快以及安裝簡(jiǎn)便而成為首選的電流、電壓傳感器。

　　14、在大電流檢測(cè)中的應(yīng)用：在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗(yàn)裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制，既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測(cè)試裝置。圖47示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測(cè)高達(dá)到300kA的電流。

　　15、用作電磁隔離耦合器：用霍爾電流傳感器的工作原理，可做成電磁耦合器。用初級(jí)線圈的電流控制霍爾器件的輸出，用這個(gè)輸出信號(hào)控制其它的電路，既收到隔離的效果，又達(dá)到耦合的目的。用這種電路可做成霍爾繼電器、過載保護(hù)器、通信線路的保護(hù)開關(guān)等等。這種電磁耦合器既可做成開關(guān)式，也可做成模擬量輸出式。