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  caisi219 2011-07-22 00:00:00

  可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。

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  京心婉兒 2011-07-20 00:00:00

  霍爾電流傳感器的應(yīng)用 一、引 言 伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗(yàn)”越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天用電設(shè)備都要遭受120次左右各種電源問題的侵?jǐn)_，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、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實(shí)際需求直接推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自動(dòng)檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)功能和更高級(jí)的智能控制，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護(hù)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(yùn)而生并在我國開始受到廣大電源設(shè)計(jì)者的青睞。 二、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。 1、電流傳感器的輸出信號(hào) 當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時(shí)，原邊電流IP會(huì)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，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(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流IS，并存在以下關(guān)系式： IS* NS= IP*NP 其中， IS—副邊電流； IP—原邊電流； NP—原邊線圈匝數(shù)； NS—副邊線圈匝數(shù)； NP / NS—匝數(shù)比，一般取NP =1。 電流傳感器的輸出信號(hào)是副邊電流IS，它與輸入信號(hào)（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有10~400mA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號(hào)。 2、電流傳感器供電電壓VA VA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VA又分為正極供電電壓VA+和負(fù)極供電電壓VA-。要注意單相供電的傳感器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量范圍要高于雙相供電的傳感器。 3、測量范圍Ipmax 測量范圍指電流傳感器可測量的Z大電流值，測量范圍一般高于標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN。 三、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Z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Z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量不出來，但不會(huì)對傳感器造成損壞。 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。 四、傳感器型號(hào)、結(jié)構(gòu)和安裝方法 霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)品標(biāo)簽一般由“傳感器產(chǎn)品型號(hào)”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成?！皞鞲衅鳟a(chǎn)品型號(hào)”用于標(biāo)明傳感器的型號(hào)、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）。 霍爾效應(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。 1、 HNC-02電流傳感器 HNC-02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5、6、8、12、2，原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少，參見說明書。 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(fù)極（-）、測量端（M）及地（0）四個(gè)管腳，但帶線電流傳感器則沒有此四個(gè)管腳，而是有紅、黑、黃、綠四根引線，分別對應(yīng)于正極、負(fù)極、測量端及大地。同時(shí)在大多傳感器中有一內(nèi)孔，測量原邊電流時(shí)要將導(dǎo)線穿過該內(nèi)孔。孔徑大小與產(chǎn)品型號(hào)、測量電流大小有關(guān)系。 不管是什么型號(hào)的電流傳感器，安裝時(shí)管腳的接線應(yīng)根據(jù)說明書所注情況進(jìn)行相應(yīng)連線。 （1）在測量交流電時(shí)，必須強(qiáng)制使用雙極性供電電源。即傳感器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負(fù)極接電源的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時(shí)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(shí)，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負(fù)極與“0V”端短接，從而形成只有一個(gè)電極相接的情況。 另外，安裝時(shí)必須全面考慮產(chǎn)品的用途、型號(hào)、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場合。 五、提高測量精度的方法 除了安裝接線、即時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)、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ZX，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(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(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔ZX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)欲測量的電流值為IPN/10的整數(shù)倍時(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。 六、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； (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，Z好按上述要求安裝傳感器。 七、傳感器標(biāo)定 1、偏移電流ISO 偏移電流必須在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須滿足： VM≦RM×ISO 2、精度 在IP=IPN（AC or DC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實(shí)際測量電阻的條件下進(jìn)行測量。 3、保護(hù)性測試 上海自動(dòng)化儀表集團(tuán)的傳感器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受到保護(hù)。對上述各項(xiàng)測試舉例如下： （1）測量電路短路 此項(xiàng)測試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實(shí)際應(yīng)用中的電阻條件下進(jìn)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(xiàng)測試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實(shí)際應(yīng)用中的電阻條件下進(jìn)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(dòng)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(hù)二極管，此項(xiàng)測試可使用萬用表測試二極管兩端，測試應(yīng)在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進(jìn)行?？墒褂靡韵聝煞N方法測試： diyi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(fù)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。 八、傳感器應(yīng)用計(jì)算 電流傳感器的主要計(jì)算公式如下： NP*IP=NS*IS 計(jì)算原邊或副邊電流 VM=RM*I 計(jì)算測量電壓 VS=RS*IS 計(jì)算副邊電壓 VA=e+VS+VM 計(jì)算供電電壓 其中，e是二極管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降，不同型號(hào)的傳感器有不同的e值。這里我們僅以HNC-300LT為例，這種傳感器的匝數(shù)比NP/NS=1/2000、標(biāo)準(zhǔn)額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的范圍為±12V~±15V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω ，在雙極性（±VA）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(hù)二極管的情況下，e=1V。在上述條件下： （1）給定供電電壓VA，計(jì)算測量電壓VM和測量電阻RM： 假設(shè)：供電電壓VA=±15V 根據(jù)上述公式得： 測量電壓VM=9.5V； 測量電阻RM=VM/IS =63.33Ω； 副邊電流IS=0.1。 所以當(dāng)我們選用63.33Ω的測量電阻時(shí)，在傳感器滿額度測量時(shí)，其輸出電流信號(hào)為0.1 ，測量電壓為9.5V。 （2）給定供電電壓和測量電阻，計(jì)算欲測量的峰值電流； 假設(shè)：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω， 則：VM+VS=（RM+RS）×IS =VA-e=14V 而：RM+RS=12W+30W=42W， 則Z大輸出副邊電流：ISmax= 0.333A 原邊峰值電流：IPmax=ISmax(NS/NP)=666A 這說明，在上述條件下，傳感器所能測量的Z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，但傳感器不會(huì)被損壞。 （3）測量電阻（負(fù)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，所以我們需要精心選擇測量電阻。 九、結(jié)束語 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(huì)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(dòng)控制、材料、傳感、計(jì)算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，我們有理由相信，在21世紀(jì)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(jì)開發(fā)，傳感器工作者應(yīng)該給予足夠重視。

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