干货:霍尔电流传感器的应用

传感器是将各种参量送入计算机系统，进行智能监测、控制的最前端。随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。

近年来，新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变频调速、逆变装置及开关电源等领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器/变送器模块是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气检测元件。

霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离测量）。利用同一只霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。

1、向高精度发展：

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。

2、向高可靠性、宽温度范围发展：

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

4、向微功耗及无源化发展：

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需2～5V。

5、向智能化数字化发展：

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

国内传感器技术起步晚，发展较慢，因此和美国、日本等发达国家产生了一定的差距。国内和国外的敏感元件与传感器作为信息系统的要害基础元器件，在国外一直得到了高度重视，很多发达国家为了夺取未来经济发展制高点，大力投入人力、物力和财力来发展它。国外在敏感元件与传感器的研究、开发、生产和应用主要表现为：①自动化技术中经典的传感嚣正在被新材料、新原理、多功能、微结构所取代；②与数字化技术、通信技术的紧密结合；③集成化、智能化和微型化进展。
近几年来，国内的新兴传感器企业越来越多，国内产品的市场额份虽然也在逐渐提高，但国外产品大面积倾入国内市场的力量仍然不容忽视。如何加强国内企业自身优势，提高我们的传感器技术成为了业内人士关注的焦点。

霍尔电流传感器的应用：

方案：测电压输出信号

以零磁通闭环产品为例（主要依据霍尔效应原理）

当原边导线经过电流传感器时，原边电流ip会产生电磁力线，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垫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

详细见附录A

                                霍尔电流传感器的应用-测电压输出信

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、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。

闭环霍尔电流传感器是用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的 ( 或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式 ) 。众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小，即 I ∝ B ∝ VH ，式中 I 为通过导线中的电流； B 为导线通电流后产生的磁感应强度； VH 为霍尔器件在磁场中产生的霍尔电压。 选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。 对于霍尔输出电压 VH 的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类：一类为开环 ( 或称直测式、直检式 ) 霍尔电流传感器；另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器。闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的．即原边电流 (IN) 所产生的磁场通过一个副边线圈的电流 (IM) 所产生的磁场进行补偿．使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。

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10～400ma。如果输出电流经过测量电阻rm，总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。

技术要求：

1.va指电流传感器供电电压，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。

2.测量范围ipmax一般高于标准额定值inp。

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-300LT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=30Ω ，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 =63.33Ω；
     副边电流IS=0.15A。
    所以当我们选用63.33Ω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=12Ω，
    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）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，匝数比NP/NS=1/2000，e值为1.5V，副边电阻RS=30Ω，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 =0.5A   
    VS=RS×IS=15V
    VM=RM×IS=7.5V
    =24V<30V
    通过以上检验，可知这种传感器在此条件下测量能保证稳定性。它所能测量的原边电流的最大值（即测量范围）=1267A

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。

2.5霍尔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ISN
　　IPN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），IPN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10~400mA，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0.5%。

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、温度漂移的影响。

2.6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。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。

(2)传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；

(3)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；

(4)安装传感器所使用的材料有无磁性；

　　(5)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。

1可测量任意波形的电流。霍尔电流传感器模块可以测量任意波形的电流参量，如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比，因为普通的互感器一般只适用于50Hz的正弦波；
    2精度高。一般的霍尔电流传感器模块在工作区域内的精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3%～5%，且只适合于50Hz的正弦波形；
    3线性度优于0.5%；
    4动态性能好。一般霍尔传感器模块的动态响应时间小于7μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs；
霍尔电流传感器模块以其优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础（无感元件）。一般普通互感器的动态响应时间为10～20μs，这显然已不适应工业控制系统发展的需要（感性元件）；
    5工作频带宽。可在0～20kHz频率范围内很好地工作；
    6过载能力强，测量范围大（0～±10000A）
    7可靠性高，平均无故障工作大于5×10000小时；
    8尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。

2.8霍尔电流传感器的应用
    1继电保护与测量 ：在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。  
    2、在直流自动控制调速系统中的应用 ：在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。
    3、在逆变器中的应用： 在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。  
    4、在不间断电源中的应用： 在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，霍尔电流传感器2发出的信号控制逆变器，霍尔电流传感器3控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。
    5、在电子点焊机中的应用 ：在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。  
    6、用于电车斩波器的控制： 电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。  
    7、在交流变频调速电机中的应用： 用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。  
    8、用于电能管理： 霍尔电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。  
    9、在接地故障检测中的应用： 在配电和各种用电设备中，可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施。采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测，可保证用电安全。
    10、在电网无功功率自动补偿中的应用： 电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行，由于它们的响应速度快，且无相位差，在保证“及时、准确”上会具有显著的优点。
    11、霍尔钳形电流表： 将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测交流也可测直流。用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测。 12、电功率测量 ：将负载电压进行变换，令其与霍尔器件的工作电流成比例，将负载电流通入磁芯绕组中，作为霍尔电流传感器的被测电流，霍尔电流传感器输出的霍尔电压即可指示功率，以构成霍尔功率计。
    12、在力工频谐波分析仪中的应用 ：在电力系统中，电网的谐波含量一般用电力工频谐波仪来进行测试。为了将被测电压和电流变换成适合计算机A/D采样的电压，人们曾将各种电力工频谐波分析仪的取样装置，如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试对比，结果表明霍尔电流传感器最为适用。

13、开关电源中的应用 ：近代出现的开关电源，是将电网的非稳定的交流电压变换成稳定的直流电压输出的功率变换装置。无论是电压控制型还是电流控制型开关电源，均采用脉冲宽度调制，借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来维持恒压输出。其中，宽度变化的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电流、电压传感器来完成。霍尔电流、电压传感器以其频带宽、响应时间快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器。  
    14、在大电流检测中的应用 ：在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图47示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。   
    15、用作电磁隔离耦合器： 用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用初级线圈的电流控制霍尔器件的输出，用这个输出信号控制其它的电路，既收到隔离的效果，又达到耦合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护器、通信线路的保护开关等等。 这种电磁耦合器既可做成开关式，也可做成模拟量输出式。

在城市用电设备增多，农村供电设备老化欠修的情况下，城乡各地经常会出现电压不稳、电路短路、过流等现象，结果造成人民生活不便和仪器损毁。在电源技术中使用传感检测功能可以使电源设备更加小型化、智能化和安全可靠。
电源技术发展到今天，已融合了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，我们有理由相信，在21世纪的电源技术中，传感器也将发挥着至关重要的作用，所以对电流传感器的应用和设计开发，传感器工作者应该给予足够重视。
     霍尔电流传感器因其型号多，量程宽（电流5~10000A；电压5~5000V）、高精度、灵敏度高、线性度好、规范、易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间MTBF长等优点，在各个领域特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖。

电流传感器的主要计算公式:

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

is/ns=ip/np

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比/ns-匝数，一般取np=1