浅析霍尔电流传感器的实际应用

1、浅析霍尔电流传感器的应用2006-6-26 15:35:00 转自仪器仪表交易网 供稿一、前言 伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设 备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的 “考验 ”越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭 受120 次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的 60% 来自电源 . 因此，电源问题的重要性日益凸显出来。 原先作为配角， 资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视， 电源技术遂发展成为一门崭新的技术。而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性 反馈稳压

2、、磁放大器技术、数控调压、 PWM 、 SPWM 、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展 和进步， 为了自动检测和显示电流， 并在过流、 过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制， 具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始 受到广大电源设计者的青睐，本文主要介绍南京中旭电子科技有限公司的电流传感器。二、电流传感器的工作原理 南京中旭电子科技有限公司的电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其 所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。 （本文下面多以以零磁通闭环产品原理为例）当原边导线经过电流传感

3、器时， 原边电流 IP 会产生磁力线， 原边磁力线集中在磁芯气隙周围， 内置在磁芯 气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微 小的信号转变成副边电流 IS ，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP其中， IS 副边电流；IP 原边电流；NP 原边线圈匝数；NS 副边线圈匝数；NP/NS 匝数比，一般取 NP=1 。电流传感器的输出信号是副边电流 IS ，它与输入信号（原边电流 IP ）成正比， IS 一般很小，只有 1040 0mA 。如果输出电流经过测量电阻 RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。2 、

4、传感器供电电压 VAVA 指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可 靠性降低，另外，传感器的供电电压 VA 又分为正极供电电压 VA+ 和负极供电电压 VA- 。要注意单相供电的传 感器，其供电电压 VAmin 是双相供电电压 VAmin 的2 倍，所以其测量范围要相供高于双电的传感器。3 、测量范围 Ipmax测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值 IPN 。三、电流传感器主要特性参数1 、标准额定值 IPN 和额定输出电流 ISNIPN 指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（ A.r. m.s ）， IP

5、N 的大小与传感器产品的型号有关。ISN 指电流传感器额定输出电流，一般为 10400mA ，当然根据某些型号具体可能会有所不同。2 、 偏移电流 ISO偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。 电流传感器在生产时，在 25， IP=0 时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产 生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。3 、 线性度线性度决定了传感器输出信号（副边电流 IS ）与输入信号（原边电流 IP ）在测量范围内成正比的程度， 南京中旭电子科技有限公司的电流传感器线性度要优于 0.

6、5% 。4 、 温度漂移偏移电流 ISO 是在25 时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO 会产生变化。因此，考虑偏移电流 ISO 的最大变化是很重要的，其中， IOT 是指电流传感器性能表中的温度漂移值。5 、 过载 电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续 时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造 成损坏。6 、 精度霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流 IPN 。在+25 时，传感器测量精度与原边电流有一定影响， 同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂

7、移的影响。四、传感器型号、结构和安装方法 南京中旭电子科技有限公司的传感器产品标签一般由 “传感器产品型号 ”和“生产日期 ”两部分构成。 “传感器 产品型号 ”用于标明传感器的型号、额定测量值、工作电源及接线指示， “传感器生产日期 ”则是由 8位数字构成， 表明传感器的生产年月份、批次（一月中的第几批产品） 。南京中旭电子科技有限公司的传感器产品很多，每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同，下面介 绍几种典型的外形结构及安装接线方法。1 、 HNC025A 电流传感器HNC-025A 电流传感器是南京中旭电子科技有限公司中一种量程很小的传感器， 所能测量的额定电流为 5 、 6、 8

8、、12 、 25A ，原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少，参见说明书。2、带线电流传感器如常规电流传感器一样，一般传感器都有正极（+ ）、负极（ - ）、测量端（ M）及地（ 0 ）四个管脚，但带线电流传感器则没有此四个管脚，而是有红、黑、黄、绿三根引线，分别对应于正极、负极、测量端及地。同 时在大多传感器中有一内孔，测量原边电流时要将导线穿过该内孔。孔径大小与产品型号、测量电流大小有着 必然的关系。不管是什么型号的电流传感器，安装时管脚的接线应根据说明书所注情况进行相应连线。（1 ）在测量交流电时，必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极（ + ）接供电电源 “+VA ”端，负极

9、接电源的 “-VA ”端，这种接法叫双极性供电电源。同时测量端（M）通过电阻接电源 “0V ”端（单指零磁通式） 。（2 ）在测量直流电流时，可使用单极性或单相供电电源，即将正极或负极与“0V ”端短接，从而形成只有一个电极相接的情况。另外，安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散 热的场合。五、提高测量精度的方法 除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下述方法还可以提高测量精度： 1、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏； 2、原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；3 、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定

10、值 IPN ，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定 值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕几圈，使之 接近额定值。例如当用额定值 100A 的传感器去测量 10A 的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔 中心绕十圈(一般情况， NP=1 ；在内孔中绕一圈， NP=2 ； ；绕九圈， NP=10 ，则 NP10A=100A 与 传感器的额定值相等，从而可提高精度) ；4 、当欲测量的电流值为 IPN/10 的时，在 25 仍然可以有较高的精度。六、传感器的抗干扰性1 、电磁场 霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因

11、素直接影响传感器是否受外部电磁场干 扰。(1) 传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；(2) 外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；(3) 安装传感器所使用的材料有无磁性；(4) 所使用的电流传感器是否屏蔽； 为了尽量减小外部电磁场的干扰，最好按上述要求安装传感器。七、传感器标定1 、偏移电流 ISO偏移电流必须在 IP=0 、环境温度 T25 的条件下进行校准， (双极性供电)接线，且测量电压 VM 必须 满足：VM RMISO2、精度在 IP=IPN (AC or DC )、环境温度 T25 、传感器双极性供电、 RM 为实际测量电阻的条件下进行测 量

12、。3、保护性测试 南京中旭电子科技有限公司的传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电 源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下：(1 )测量电路短路此项测试必须在 IP=IPN 、环境温度 T 25 、传感器双向供电、 RM 为实际应用中的电阻条件下进行，输 出与地接一开关，开关应在一分钟之内合上和打开。(2)测量电路开路此项测试条件为 IP=IPN 、环境温度 T 25 、传感器双向供电、 RM 是实际应用中的电阻条件下进行，输 出与电阻接一开关，开关 S 应在一分钟之内完成闭合 / 打开切换动作。(3 )电源意外倒置测试 为防止电源意外倒置而使传感器

13、损坏，在电路中专门加装了保护二极管，此项测试可使用万用表测试二极 管两端，测试应在 IP=0 、环境温度 T 25 、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进行。可使用以下两种 方法测试：第一种：万用表红表笔端接传感器 “M”端，万用表黑表笔端接传感器 “+ ”端； 第二种：万用表红表笔接传感器负极，万用表黑表笔接传感器 M 端； 在测试中，如万用表鸣笛，说明二极管已损坏。八、传感器应用计算根据图 13 ，电流传感器的主要计算公式如下：NPIP=NSIS ； 计算原边或副边电流VM=RMI ； 计算测量电压VS=RSIS ； 计算副边电压VA=e+VS+VM ； 计算供电电压其中，e 是二极管内

14、部和晶体管输出的压降，不同型号的传感器有不同的 e 值。这里我们仅以 HNC-300L T 为例， 这种传感器的匝数比 NP/NS=1/2000 、标准额定电流值 IPN=300A rms 、供电电压 VA 的范围为 12V 15V （ 5% ）、副边电阻 RS=30 ，在双极性（ VA）供电，其传感器测量量程 100A 且无防止供 电电源意外倒置的保护二极管的情况下， e=1V 。在上述条件下：（1 ）给定供电电压 VA，计算测量电压 VM 和测量电阻 RM：假设：供电电压 VA= 15V根据上述公式得：测量电压 VM=9.5V ；测量电阻 RM=VM/IS =63.33 ；副边电流 IS=

15、0.15A 。所以当我们选用 63.33 的测量电阻时，在传感器满额度测量时，其输出电流信号为0.15A ，测量电压为9.5V 。（2 ）给定供电电压和测量电阻，计算欲测量的峰值电流；假设：供电电压 VA= 15V ，测量电阻 RM=12 ，则： VM+VS= （RM+RS ）IS =VA-e=14V而： RM+RS=12W+30W=42W，则最大输出副边电流： ISmax= 0.333A原边峰值电流： IPmax=ISmax（NS/NP）=666A 这说明，在上述条件下，传感器所能测量的最大电流即原边峰值电流为 666A 。如果原边电流大于此值， 传感器虽测量不出来，但传感器不会被损坏。（3

16、 ）测量电阻（负载电阻）能影响传感器的测量范围。 测量电阻对传感器测量范围也存在影响，所以我们需要精心选择测量电阻。用下式可计算出测量电阻： 其中， VAmin 扣除误差后的最小供电电压；e传感器内部晶体管的电压降；RS传感器副边线圈的电阻；ISmax 原边电流 IP 为最大值时的副边电流值。另外我们可以通过下式确认所选传感器的稳定性。如果 VAmin 不符合上式，则会造成传感器的不稳定。一旦出现这种情况，我们可以有以下三种方法克服：1）更换电压更大的供电电源；2 ）减小测量电阻的值；3 ）将传感器更换成 RS 较小的传感器。例如，某种型号的电流传感器，其标准额定电流 IPN=1000A ，匝

17、数比 NP/NS=1/2000 ，e 值为 1.5V ， 副边电阻 RS=30 ，测量电阻 RM=15W ，用 15V 电源单极性供电。则 VA=30V （单极性供电是双极性供电 的2 倍）， 而：IS=IP NP/NS =0.5AVS=RS IS=15VVM=RM IS=7.5V=24V100a 且无防止供电电源意外 倒置的保护二极管的情况下， e=1v 。在上述条件下： 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。(1)给定供电电压 va，计算测量电压 vm 和测量电阻 rm：假设：供电电压 va= 15v根据上述公式得：测量电压 vm=9.5v;测量电阻 rm=vm/is =63.33 ;副边电流 is=0.

18、15a 。所以当我们选用 63.33 的测量电阻时，在传感器满额度测量时，其输出电流信号为 0.15a ，测量电压为 9.5v 。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。(2)给定供电电压和测量电阻，计算欲测量的峰值电流 ;假设：供电电压 va= 15v ，测量电阻 rm=12 ，则： vm+vs=(rm+rs) is =va-e=14v而： rm+rs=12w+30w=42w ，则最大输出副边电流： ismax= 0.333a原边峰值电流： ipmax=ismax(ns/np)=666a这说明，在上述条件下，传感器所能测量的最大电流即原边峰值电流为666a 。如果原边电流大于此值，传感器虽测量不出来，但传感器不会被损坏。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(3) 测量电阻 (负载电阻 )能影响传感器的测量范围。 测量电阻对传感器测量范围也存在影响，所以我们需要精心选择测量电阻。用下式可计算出测量电阻：其中， vamin 扣除误差后的最小供电电压 ;e传感器内部晶体管的电压降 ;rs传感器副边线圈的电阻 ;ismax 原边电流 ip 为最大值时的副边电流值。另外我们可以通过下式确认所选传感器