電流傳感器的工作原理

　　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，其所依據的工作原理主要是霍爾效應原理。（本文下面多以以零磁通閉環産品原理為例）

　　當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流IP會産生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，内置在磁芯氣隙中的霍爾電片可産生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過後續電子電路可把這個微小的信号轉變成副邊電流IS，并存在以下關系式： IS* NS= IP*NP

　　其中，IS—副邊電流；

　　IP—原邊電流；

　　NP—原邊線圈匝數；

　　NS—副邊線圈匝數；

　　NP/NS—匝數比，一般取NP=1。

　　１，電流傳感器的輸出信号是副邊電流IS，它與輸入信号（原邊電流IP）成正比，

　　IS一般很小，隻有10~400mA。如果輸出電流經過測量電阻RM，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号。

　　2、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定的範圍内。超過此範圍，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，所以其測量範圍要相供高于雙電的傳感器。

　　3、測量範圍Ipmax

　　測量範圍指電流傳感器可測量的最大電流值，測量範圍一般高于标準額定值IPN。

　　電流傳感器主要特性參數

　　1、标準額定值IPN和額定輸出電流ISN

　　IPN指電流傳感器所能測試的标準額定值，用有效值表示（A。r。m。s），IPN的大小與傳感器産品的型号有關。 ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為10~400mA，當然根據某些型号具體可能會有所不同。

　　2、 偏移電流ISO

　　偏移電流也叫殘餘電流或剩餘電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀态不穩造成的。電流傳感器在生産時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調至最小，但傳感器在離開生産線時，都會産生一定大小的偏移電流。産品技術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号（副邊電流IS）與輸入信号（原邊電流IP）在測量範圍内成正比的程度，南京中旭電子科技有限公司的電流傳感器線性度要優于0。5%。

　　4、 溫度漂移

　　偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電極周邊環境溫度變化時，ISO會産生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，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生電流過載時，在測量範圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續時間可能很短，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，但不會對傳感器造成損壞。

　　6、 精度

　　霍爾效應傳感器的精度取決于标準額定電流IPN。在 25℃時，傳感器測量精度與原邊電流有一定影響，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。

　　傳感器型号、結構和安裝方法

　　傳感器産品标簽一般由“傳感器産品型号”和“生産日期”兩部分構成。“傳感器産品型号”用于标明傳感器的型号、額定測量值、工作電源及接線指示，“傳感器生産日期”則是由8位數字構成，表明傳感器的生産年月份、批次（一月中的第幾批産品）。

　　傳感器産品很多，每種傳感器的外形結構、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結構及安裝接線方法。

　　1、 25A電流傳感器

　　25A電流傳感器一種量程很小的傳感器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不同接法可确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、綠三根引線，分别對應于正極、負極、測量端及地。同時在大多傳感器中有一内孔，測量原邊電流時要将導線穿過該内孔。孔徑大小與産品型号、測量電流大小有着必然的關系。

　　不管是什麼型号的電流傳感器，安裝時管腳的接線應根據說明書所注情況進行相應連線。

　　（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“ VA”端，負極接電源的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。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，即将正極或負極與“0V”端短接，從而形成隻有一個電極相接的情況。

　　另外，安裝時必須全面考慮産品的用途、型号、量程範圍、安裝環境等。比如傳感器應盡量安裝在利于散熱的場合。

　　提高測量精度的方法

　　除了安裝接線、即時标定校準、注意傳感器的工作環境外，通過下述方法還可以提高測量精度：

　　1、原邊導線應放置于傳感器内孔中心，盡可能不要放偏；

　　2、原邊導線盡可能完全放滿傳感器内孔，不要留有空隙；

　　3、需要測量的電流應接近于傳感器的标準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一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，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時，為提高精度可将原邊導線在傳感器的内孔中心繞十圈（一般情況，NP=1；在内孔中繞一圈，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、當欲測量的電流值為IPN/10的時，在25℃仍然可以有較高的精度。

　　傳感器的抗幹擾性

　　（1）電磁場

　　霍爾效應電流傳感器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場幹擾。

　　（2）傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；

　　（3）外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器内霍爾電極的位置；

　　（4）安裝傳感器所使用的材料有無磁性；

　　（5）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幹擾，最好按上述要求安裝傳感器。

　　傳感器标定

　　1、偏移電流ISO

　　偏移電流必須在IP=0、環境溫度T≈25℃的條件下進行校準，（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須滿足：

　　VM≦RM×ISO

　　2、精度

　　在IP=IPN（AC or DC）、環境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量。

　　3、保護性測試

　　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。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IP=IPN、環境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實際應用中的電阻條件下進行，輸出與地接一開關，開關應在一分鐘之内合上和打開。

　　（2）測量電路開路

　　此項測試條件為IP=IPN、環境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實際應用中的電阻條件下進行，輸出與電阻接一開關，開關S應在一分鐘之内完成閉合/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，測試應在IP=0、環境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進行。可使用以下兩種方法測試：

　　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。

　　八、傳感器應用計算

　　電流傳感器的主要計算公式如下：

　　NPIP=NSIS； 計算原邊或副邊電流

　　VM=RMI； 計算測量電壓

　　VS=RSIS； 計算副邊電壓

　　VA=e VS VM； 計算供電電壓

　　其中，e是二極管内部和晶體管輸出的壓降，不同型号的傳感器有不同的e值。這裡我們僅以HNC-300LT為例，這種傳感器的匝數比NP/NS=1/2000、标準額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的範圍為±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二極管的情況下，e=1V。在上述條件下：

　　（1）給定供電電壓VA，計算測量電壓VM和測量電阻RM：

　　假設：供電電壓VA=±15V

　　根據上述公式得：

　　測量電壓VM=9。5V；

　　測量電阻RM=VM/IS =63。33Ω；

　　副邊電流IS=0。15A。

　　所以當我們選用63。33Ω的測量電阻時，在傳感器滿額度測量時，其輸出電流信号為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：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，

　　則最大輸出副邊電流：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，但傳感器不會被損壞。

　　（3）測量電阻（負載電阻）能影響傳感器的測量範圍。

　　測量電阻對傳感器測量範圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計算出測量電阻：

　　其中，VAmin—扣除誤差後的最小供電電壓；

　　e—傳感器内部晶體管的電壓降；

　　RS—傳感器副邊線圈的電阻；

　　ISmax—原邊電流IP為最大值時的副邊電流值。

　　另外我們可以通過下式确認所選傳感器的穩定性。

　　如果VAmin不符合上式，則會造成傳感器的不穩定。一旦出現這種情況，我們可以有以下三種方法克服：

　　1）更換電壓更大的供電電源；

　　2）減小測量電阻的值；

　　3）将傳感器更換成RS較小的傳感器。

　　例如，某種型号的電流傳感器，其标準額定電流IPN=1000A，匝數比NP/NS=1/2000，e值為1。5V，副邊電阻RS=30Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍）， 而：

　　IS=IP×NP/NS =0。5A

　　VS=RS×IS=15V

　　VM=RM×IS=7。5V

　　=24V<30V

　　通過以上檢驗，可知這種傳感器在此條件下測量能保證穩定性。它所能測量的原邊電流的最大值（即測量範圍）=1267A

　　在城市用電設備增多，農村供電設備老化欠修的情況下，城鄉各地經常會出現電壓不穩、電路短路、過流等現象，結果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術中使用傳感檢測功能可以使電源設備更加小型化、智能化和安全可靠。

　　電源技術發展到今天，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、熱工等諸多技術領域的精華，我們有理由相信，在21世紀的電源技術中，傳感器也将發揮着至關重要的作用，所以對電流傳感器的應用和設計開發，傳感器工作者應該給予足夠重視。

　　霍爾電流傳感器因其型号多，量程寬（電流5~10000A；電壓5~5000V）、高精度、靈敏度高、線性度好、規範、易安裝、抗幹擾能力強、質量可靠、平均無故障時間MTBF長等優點，在各個領域特别是在機車牽引和工業應用領域中值得用戶信賴。

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