Hall Current Sensor

Hall current transduce

霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势VH。

霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：VH=KHICBsinΘ
　　霍尔电流传感器是按照霍尔效应原理制成，对安培定律加以应用，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。

通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。

由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0
　　我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。

原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。

知道：Φ1=Φ2
　　I1N1=I2N2
　　I2=NI/N2·I1
　　当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即：U0=I2RM

按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从～系列规格的电流传感器。

由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。

霍尔电流传感器要想得到发展。首先就要提高灵敏度、恶劣条件下的稳定性、降低工作电压、微功耗；其次是敏感元件及其处理电路集成化、小型化；第三必须做到功能多样化，同一种敏感机理的敏感器，引用和融合了电子技术其他分支的相关成熟技术，可形成新功能或复合功能的新型品种；最后要便于组网，传感器捕获的信息便于与其上层、下层机接口和有线或无线传输，以利执行、保存、处理。 

为了测量mA级的小电流，根据Φ1=I1N1，增加N1的匝数，同样可以获得高磁通Φ1。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。

与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压U1上，得到与被测电压U1成比例的电流I1。副边原理同电流传感器一样。当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即 U0=I2RM

直接检测式（无放大）电流传感器为高阻抗输出电压，在应用中，负载阻抗要大于10KΩ，通常都是将其±50mV或±100mV悬浮输出电压用差动输入比例放大器放大到±4V或±5V。 （a） 图可满足一般精度要求；（b）图性能较好，适用于精度要求高的场合。
　　直检放大式电流传感器为高阻抗输出电压。在应用中，负载阻抗要大于2KΩ。

磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。从图1－3看出“M”端对电源“O”
　　端为电流I2的通路。因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻RM只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。

为了保证高精度测量要注意：①测量电阻的精度选择，一般选金属膜电阻，精度≤±0.5%，详见表1－1，②二次仪表或终端控制板电路输入阻抗应大于测量电阻100倍以上。

从前面公式知道
　　U0=I2RM
　　RM=U0/I2
　　式中：U0－测量电压，又叫取样电压（V）。
　　I2－副边线圈补偿电流（A）。
　　RM－测量电阻（Ω）。
　　计算时I2可以从磁补偿式电流传感器技术参数表中查出与被测电流（额定有效值）I1相对应的输出电流（额定有效值）I2。假如要将I2变换成U0=5V，RM选择详见表1－1。

从图1－3可知输出电流I2的回路是：V+→末级功放管集射极→N2→RM→0，回路等效电阻如图1－6。（V-～0的回路相同，电流相反）
　　当输出电流I2最大值时，电流值不再跟着I1的增加而增加，我们称为传感器的饱和点。

按下式计算
　　I2max=V+-VCES/RN2+RM
　　式中：V+－正电源（V）。
　　VCES－功率管集射饱和电压，（V）一般为0.5V。
　　RN2－副边线圈直流内阻（Ω），详见表，1－2。
　　RM－测量电阻（Ω）。
　　从计算可知改变测量电阻RM，饱和点随之也改变。当被测电阻RM确定后，也就有了确定的饱和点。根据下式计算出最大被测电流I1max：I1max=I1/I2·I2max

在测量交流或脉冲时，当RM确定后，要计算出最大被测电流I1MAX，如果I1max值低于交流电流峰值或低于脉冲幅值，将会造成输出波形削波或限幅现象，此种情况可将RM选小一些来解决。

电压传感器原边与副边抗电强度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以测量直流、交流、脉冲电压。在测量电压时，根据电压额定值，在原边+HT端串一限流电阻，即被测电压通过电阻得到原边电流
　　U1/R1=I1、R1=U1/10mA（KΩ），电阻的功率要大于计算值2～4倍，电阻的精度≤±0.5%。R1精密线绕功率电阻，可由厂方代订。

电流传感器的接线方法

（1） 直检式（无放大）电流传感器接线图如图1－7所示。
　　（a） 图是P型（印板插脚式）接发，（b）图是C型（插座插头式）接法，VN.、VN表示霍尔输出电压。
　　（2） 直检放大式电流传感器接线图如图1－8所示。
　　（a） 图是P型接法，（b）图是C型接法，图中U0表示输出电压，RL表示负载电阻。
　　（3） 磁补偿式电流传感器接线图如图1－9所示。
　　（a） 图是P型接法，（b）图是C型接法（注意四针插座第三针是空脚）

以上三种传感器的印板插脚式接法同实物的排列方法是一致的，插座插头接法同实物的排列方法也是一致的，以免接线错误。

在以上接线图上，主回路被测电流I1在穿孔中有一箭头示出了电流正方向，实物外壳上也标明了电流正方向，这是电流传感器规定了被测电流I1的电流正方向与输出电流I2是同极性的。这在三相交流或多路直流检测量中是致关重要的。

电流传感器是一种有源模块，如霍尔器件、运放、末级功率管，都需要工作电源，并且还有功耗，图1－10是实用的典型工作电源原理图。
　　（1） 输出地端集中接大电解上以利降噪。
　　（2） 电容位uF，二极管为1N4004。
　　（3） 变压器根据传感器功耗而定。
　　（4） 传感器的工作电流。
　　直检式（无放大）耗电：最大5mA；直检放大式耗电：最大±20mA；磁补偿式耗电：20+输出电流；最大消耗工作电流20+输出电流的2倍。根据消耗工作电流可以计算出功耗。

（1）非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性；原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。

（2）使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。

（3）使用非常方便，取一只LT100－C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。

（4）传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外，工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。在使用微机检测中需信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算机接口。

在3KV以上的高压系统，电流、电压传感器都能与传统的高压互感器配合，替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。

（5）传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。

1. 测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映;

2. 响应速度快：最快者响应时间只为1us。

3. 测量精度高：其测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3%~5%，且只适合于50Hz 正弦波形。

4. 线性度好：优于0.2%

5. 动态性能好：响应时间快，可小于1us;普通互感器的响应时间为10~20ms。

6. 工作频带宽：在0~100KHz 频率范围内的信号均可以测量。

7. 可靠性高，平均无故障工作时间长：平均无故障时间>5 10 小时

8. 过载能力强、测量范围大：0---几十安培~上万安培

9. 体积小、重量轻、易于安装。

由于霍尔电流电压传感器以上的优点，故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。

性能指标：

* 执行标准：IEC688：1992，QB

* 输入范围：0~800A内可选 如0~100 A，0~500A等

* 精度等级：≤1.0%.F.S

* 线 性 度：优于0.2%

*响应时间：≤1Us

* 频率特性：0~100KHz* 失调电压：≤20mV

* 温度特性：≤150PPM/℃(0~50℃)

* 整机功耗：≤30 mA+Ig

* 隔离耐压：输入/输出/外壳间 AC2.0KV/min*1mA

* 过载能力：2倍电流连续，30倍1秒

* 阻燃特性：UL94-V0

* 工作环境：-10℃~50℃，20%~90%无凝露

* 贮存环境：-40℃~70℃，20%~95%无凝露

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NP×10A=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。

霍尔传感器不论是开环还是闭环原理，基本的性能区别不大，基本的优点在于：响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强。

基本是HIA-C01和HIB-C15两种闭环原理的霍尔电流传感器较多，基本应用方式是HIA-C01霍尔电流传感器检测前端每一块电池板的发电情况，输出信号给信号采集装置，由信号采集装置经过采集、信号转换等步骤，有线传输至控制中心，由控制中心统一对各个阵列的发电情况进行监控。