淺析霍爾電流傳感器的應(yīng)用

1、 152005中國工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展論壇將于10月1819日在上海舉行,敬請關(guān)注! 淺析霍爾電流傳感器的應(yīng)用Brief Discussion about Applications of Hall Current Sensor(巨化工程有限公司儀表廠,浙江 衢州 324004董高峰摘要:詳細介紹了霍爾電流傳感器在應(yīng)用上需要注意的七個方面。 關(guān)鍵詞:霍爾電流傳感器;應(yīng)用;融合Abstract: This paper in detail introduces the seven key points in applications of Hall current sensor.Key words: Ha

2、ll current sensor; Application; Amalgamation1 引言伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴大,各種用電設(shè)備的增多,用電量越來越大,城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負荷運轉(zhuǎn),用電環(huán)境變得越來越惡劣,對電源的“考驗”越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計,每天用電設(shè)備都要遭受120次左右各種電源問題的侵擾,電子設(shè)備故障的60%來自電源。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(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。而今,小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、PW

3、M 、SPWM 、電磁兼容等。實際需求直接推動電源技術(shù)不斷發(fā)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(fā)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(shù)漸成趨勢。檢測電流或電壓的傳感器,即霍爾電流傳感器便應(yīng)運而生并在我國開始受到廣大電源設(shè)計者的青睞。2 電流傳感器的工作原理霍爾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(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)原理。2.1 電流傳感器的輸出信號當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時,原邊電流I P 會產(chǎn)生磁力線,原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍,內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的,

4、大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓,通過后續(xù)電子電路可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流I S ,并存在以下關(guān)系式:I S * N S = I P *N P 。其中,I S 副邊電流;I P 原邊電流;N P 原邊線圈匝收稿日期:2005-03-28作者簡介:董高峰(1976-,男,助理工程師,工學(xué)學(xué)士,現(xiàn)從事儀器儀表開發(fā)工作。數(shù);N S 副邊線圈匝數(shù);N P / N S 匝數(shù)比,一般取N P =1。電流傳感器的輸出信號是副邊電流I S ,它與輸入信號(原邊電流I P 成正比,I S 一般很小,只有10400mA 。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻R M ,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。

5、 2.2 電流傳感器供電電壓V AV A 指電流傳感器的供電電壓,它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。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V A 又分為正極供電電壓V A+和負極供電電壓V A-。要注意單相供電的傳感器,其供電電壓V Amin 是雙相供電電壓V Amin 的2倍,所以其測量范圍要高于雙相供電的傳感器。 2.3 測量范圍I pmax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I PN 。3 電流傳感器主要特性參數(shù)3.1 標準額定值I PN 和額定輸出電流I SNI PN 指電流傳感器所能測試的標準額定值,用有效值表示(Arms ,I

6、PN 的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關(guān)。I SN 指電流傳感器額定輸出電流,一般為10400mA ,當(dāng)然根據(jù)某些型號具體可能會有所不同。 3.2 偏移電流I SO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(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳感器在生產(chǎn)時,在25,I P =0時的情況下,偏移電流已調(diào)至最小,但傳感器在離開生產(chǎn)線時,都會產(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。 3.3 線性度線性度決定了傳感器輸出信號(副邊電流I S 與輸入信號(原邊電流I P 在測量范圍內(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%。

7、3.4 溫度漂移偏移電流I SO 是在25時計算出來的,當(dāng)霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時,I SO 會產(chǎn)生變化。因此,考慮偏移電流I SO 的最大變化是很重要的,其中,I OT 是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值。 3.5 過載電流傳感器的過載能力是指發(fā)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(xù)時間可能作者:董高峰 16第六屆全國管控一體化技術(shù)研討會將于11月89日在北京舉行,敬請關(guān)注!很短,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。 3.6 精度霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標準額定電流I PN 。在 25時,傳感器測量精度與原邊

8、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。4 傳感器型號、結(jié)構(gòu)和安裝方法霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)品標簽一般由“傳感器產(chǎn)品型號”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成?！皞鞲衅鳟a(chǎn)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(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成,表明傳感器的生產(chǎn)年月份、批次(一月中的第幾批產(chǎn)品?；魻栃?yīng)傳感器產(chǎn)品很多,每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同。下面介紹幾種典型的外形結(jié)構(gòu)及安裝接線方法。4.1 HNC-025A 電流傳感器HNC-025A 電流傳感器是南京中旭電子科技有限公司中一種量程很小的傳感器,所能測量的額定電流為5A 、6A

9、、8A 、12A 、25A ,原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少。 4.2 帶線電流傳感器如常規(guī)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、綠四根引線,分別對應(yīng)于正極、負極、測量端及大地。同時在大多傳感器中有一內(nèi)孔,測量原邊電流時要將導(dǎo)線穿過該內(nèi)孔?？讖酱笮∨c產(chǎn)品型號、測量電流大小有關(guān)系。不管是什么型號的電流傳感器,安裝時管腳的接線應(yīng)根據(jù)說明書所注情況進行相應(yīng)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“+V A ”端,負極接電源的“-V A ”端,這種接法叫

10、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(chǎn)品的用途、型號、量程范圍、安裝環(huán)境等。如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場合。5 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(huán)境外,通過下述方法還可以提高測量精度:(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 需要測量的電流應(yīng)接近于傳感器的標準額定值I PN ,不要相差太大。如條件所限,手頭僅有一

11、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(dǎo)線多繞幾圈,使之接近額定值。例如當(dāng)用額定值100A 的傳感器去測量10A 的電流時,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,N P =1;在內(nèi)孔中繞一圈,N P =2;繞九圈,N P =10,則N P 10A=100A 與傳感器的額定值相等,從而可提高精度;(4 當(dāng)欲測量的電流值為I PN /10的整數(shù)倍時,在25仍然可以有較高的精度。6 傳感器的抗干擾性霍爾電流傳感器利用了原邊導(dǎo)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

12、; (2 外部導(dǎo)線與傳感器的距離、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)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。7 傳感器標定7.1 偏移電流I SO偏移電流必須在I P =0、環(huán)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V M 必須滿足: V M R M I SO 。 7.2 精度在I P =I PN (AC 或DC 、環(huán)境溫度T 25、傳感器雙極性供電、R M 為實際測量電阻的條件下進行測量。 7.3 保護性測試南京中旭電子科技有限公司的傳感器在測量電路短路、測量電路開路、供

13、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I P =I PN 、環(huán)境溫度T 25、傳感器雙向供電、R M 為實際應(yīng)用中的電阻條件下進行。輸出與地接一開關(guān),開關(guān)應(yīng)在一分鐘之內(nèi)合上和打開。(2 測量電路開路此項測試條件為I P =I PN 、環(huán)境溫度T 25、傳感器雙向供電、R M 是實際應(yīng)用中的電阻條件下進行。輸出與電阻接一開關(guān),開關(guān)S 應(yīng)在一分鐘之內(nèi)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(yīng)在I P =0、環(huán)境溫

14、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。 172005中國工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展論壇將于10月1819日在上海舉行,敬請關(guān)注! 8 傳感器應(yīng)用計算電流傳感器的主要計算公式如下: N P *I P =N S *I S 計算原邊或副邊電流; V M =R M *I 計算測量電壓; V S =R S *I S 計算副邊電壓; V A =e +V S +V M 計算供電電壓。其中,e 是二極管內(nèi)部

15、和晶體管輸出的壓降,不同型號的傳感器有不同的e 值。這里僅以HNC-300LT 為例,這種傳感器的匝數(shù)比N P /N S =1/2 000、標準額定電流值I PN =300Arms 、供電電壓V A 的范圍為12V15V (5%、副邊電阻 R S =30,在雙極性(V A 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V A ,計算測量電壓V M 和測量電阻R M ;假設(shè):供電電壓V A =15V根據(jù)上述公式得:測量電壓V M =9.5V ;測量電阻R M =V M /I S =63.33;副邊電流I S =0.15

16、A 。所以當(dāng)選用63.33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(shè):供電電壓V A =15V ,測量電阻R M =12, 則:V M +V S =(R M +R S I S =V A -e=14V 。 而:R M +R S =12+30=42,則最大輸出副邊電流:I Smax =0.333A 原邊峰值電流:I Pmax =I Smax (N S /N P =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

17、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,所以需要精心選擇測量電阻。9 結(jié)語在城市用電設(shè)備增多,農(nóng)村供電設(shè)備老化欠修的情況下,城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過流等現(xiàn)象,結(jié)果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術(shù)中使用傳感檢測功能可以使電源設(shè)備更加小型化、智能化和安全化。電源技術(shù)發(fā)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(shù)領(lǐng)域的精華,人們有理由相信,在21世紀的電源技術(shù)中,傳感器也將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,所以對電流傳感器的應(yīng)用和設(shè)計開發(fā),傳感器工作者應(yīng)該給予足夠重視。參考文獻:1 陳艾.

18、 敏感材料與傳感器M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004,10. 2 沙占友. 集成化智能傳感器原理與應(yīng)用M. 北京:電子工業(yè)出版社,2004,01.3 HNC-025A 電流傳感器使用手冊Z. 南京中旭電子科技有限公司.(上接14頁ROM 為flash ;單片機的I/O 管腳可直接驅(qū)動數(shù)碼管和LED 顯示。當(dāng)要顯示多位數(shù)碼時,可采用動態(tài)掃描顯示技術(shù)。聲音報警可采用廉價的門鈴IC ,而串行接口則可用AD 公司的ADM101E ,它具有電壓反轉(zhuǎn)功能,無需外加負壓即可將TTL 電平的串行信號轉(zhuǎn)成RS-232標準信號以方便和微機通訊。由于其功耗極小,電源采用一個小型的AC-DC 就足夠了,這樣整套裝置的重量和體積可以做得很小。剩下的事就是編程了。單片機作為數(shù)據(jù)處理核心,其程序編制有一定的技巧。對定時器、中斷控制器、串行接口、I/O 等可按常規(guī)進行,但數(shù)據(jù)處理器及浮點操作,而要單片機真正進行浮點運算則很浪費時間。為此,可將浮點數(shù)X 乘以一個整數(shù)K ,計算先擴大K 倍,使其忽略小