霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖35 所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái)，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。圖35（a）所示的傳感器用于測(cè)量電流強(qiáng)度較小的電流，圖35(b)所示的傳感器用于檢測(cè)較大的電流。
實(shí)際的霍爾電流傳感器有兩種構(gòu)成形式，即直接測(cè)量式和零磁通式。

圖35 霍爾電流傳感器的構(gòu)成原理

直接測(cè)量式霍爾電流傳感器
將圖35 中霍爾器件的輸出（必要時(shí)可進(jìn)行放大）送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場(chǎng)檢測(cè)器，它檢測(cè)的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高。這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來(lái)降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。
這類霍爾電流傳感器的價(jià)格也相對(duì)便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已有許多廠
家生產(chǎn)。

零磁通式（也稱為磁平衡式或反饋補(bǔ)償式）霍爾電流傳感器
如圖36 所示，將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：Io=Is(N2/N1)(5)

式中，I1 為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1 為初級(jí)繞組的匝數(shù)，I2 為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由式（5）可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is 及匝數(shù)比N2/N1 得到Io。

圖36 霍爾零磁通電流傳感器

圖37 霍爾電流傳感器在繼電保護(hù)與測(cè)量中的應(yīng)用
（H 為霍爾電流傳感器）
這個(gè)平衡過(guò)程是自動(dòng)建立的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。建立平衡所需的時(shí)間極短。平衡時(shí)，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低（理想狀態(tài)應(yīng)為0），不會(huì)使磁芯飽和，也不會(huì)產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器。
在霍爾電流傳感器的輸出電路中接上恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻器，即可構(gòu)成霍爾電壓傳感器。
霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無(wú)電位”檢測(cè)。即測(cè)量電路不必接入被測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，它們靠磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。因此，檢測(cè)電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)電路的狀態(tài)不受檢測(cè)電路的影響，檢測(cè)電路也不受被檢電路的景響。
霍爾電流傳感器可以檢測(cè)從直流到100kHz（通過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)和制作，甚至可以達(dá)到MHz 級(jí)）的各種
波形的電流，響應(yīng)時(shí)間可短到1μs 以下。

由于這些優(yōu)點(diǎn)，霍爾電流傳感器得到了極其廣泛的應(yīng)用。3 杵2杵12 霍爾電流傳感器的應(yīng)用
3杵2 杵12杵1 繼電保護(hù)與測(cè)量
如圖37 所示，來(lái)自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，經(jīng)三只霍爾電流傳感器H（圖中只畫
出B 相的一只），按比例轉(zhuǎn)換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運(yùn)算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號(hào)，送微機(jī)進(jìn)行測(cè)量或處理。使用霍爾電流傳感器很方便地實(shí)現(xiàn)了無(wú)畸變、無(wú)延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。3杵2 杵12杵2 在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器代替電流互感器，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)
轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對(duì)晶閘管進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，其應(yīng)用線路如圖38所示。

圖3 在直流控制中的應(yīng)用

?霍爾元件及其應(yīng)用