詳解電流傳感器技術(shù)

在任何過(guò)程中，電量的測(cè)量對(duì)于監(jiān)控、分析和控制系統(tǒng)都是必不可少的。要執(zhí)行這些類(lèi)型的測(cè)量，必須使用電流傳感器。除非可以測(cè)量，否則無(wú)法管理物理量。讓我們深入了解電流傳感器的行為。

電流傳感器 ?

電流傳感器是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)可分析信號(hào)的設(shè)備。要測(cè)量的信號(hào)稱(chēng)為“初級(jí)電流”，而輸出信號(hào)稱(chēng)為“次級(jí)電流或電壓”。最后一個(gè)信號(hào)是用于電子板、ADC 和其他模擬儀表的信號(hào)。由于存在不同的測(cè)量技術(shù)，并且初級(jí)電流可能因波形、脈沖類(lèi)型、隔離和電流強(qiáng)度而異，因此市場(chǎng)提供了多種電流傳感器。如圖 1 所示，最常見(jiàn)的電流傳感器分為兩類(lèi)：

根據(jù)“分流器”的工作原理，第一類(lèi)應(yīng)用歐姆定律 ( V = R × I )。

第二類(lèi)使用安培定律（I = ∮ H × ds）并使用磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量電流。

圖 1：不同的電流測(cè)量方法

歐姆定律適用于分流測(cè)量，公式為V = R × I。在實(shí)踐中，分流器是具有已知?dú)W姆值的穩(wěn)健電阻器。當(dāng)電流通過(guò)分流器時(shí)，產(chǎn)生的電壓與該電流成正比。利用這個(gè)原理，對(duì)于不太高的電流，我們可以準(zhǔn)確地獲得交流和直流電流。另一方面，當(dāng)電流上升并超過(guò) 100 A 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)變得無(wú)效和關(guān)鍵。

霍爾效應(yīng)電流傳感器可用于克服這些限制。為霍爾探頭供電會(huì)施加垂直于表面的磁場(chǎng)并產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的電壓。然后可以使用安培定律計(jì)算流過(guò)導(dǎo)體的電流量。霍爾電流傳感器使用磁芯將磁場(chǎng)集中在探頭所在的氣隙中。輸出電壓與磁場(chǎng)成正比，而磁場(chǎng)又與初級(jí)電流成正比。電流傳感器的性能取決于開(kāi)環(huán)霍爾探頭的性能。為了提高線性度和減少溫度偏移的漂移，實(shí)現(xiàn)了閉路原理，另一種電流傳感器以磁電阻器為代表，其中電阻器的值與磁場(chǎng)成比例變化。這些電流傳感器通常比霍爾效應(yīng)更準(zhǔn)確，但由于氣隙而存在靈敏度限制。然而，設(shè)備必須確保高效和準(zhǔn)確的測(cè)量，具有非常高的檢測(cè)質(zhì)量、極其平坦的頻率響應(yīng)和出色的直流穩(wěn)定性。所有這些特性都可以在 Danisense 的電流傳感器中找到，該公司提供定制的解決方案以滿足客戶的確切需求。

電流測(cè)量方法 ?

可以使用 LT6106 集成電路執(zhí)行電流測(cè)量，這是一款用于電流檢測(cè)的多功能放大器（參見(jiàn)圖 2中的應(yīng)用圖）。其特點(diǎn)備受推崇：

最大電壓偏移：250 μV

最大輸入偏置電流：40 nA

只需兩個(gè)電阻即可設(shè)置設(shè)備的增益

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出電流：1毫安

PSRR：106分貝

其主要應(yīng)用是汽車(chē)和工業(yè)、電池監(jiān)控、能源管理、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、燈監(jiān)控以及過(guò)流和故障檢測(cè)。該設(shè)備通過(guò)檢測(cè)外部電阻器（分流電阻器）兩端的電壓來(lái)測(cè)量電流。內(nèi)部電路將此電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流。LT6106 的極低電源電流也使其適用于電池應(yīng)用。

圖 2：采用 LT6106 器件的負(fù)載電流表示例

一旦您了解了其工作原理，您就可以使用歐姆定律和功率方程輕松配置設(shè)計(jì)以滿足您的所有需求。在示例接線圖配置中，電源為 30 V，并以大約 1.57 A 的電流為 19-Ω 負(fù)載供電。0.01-Ω 分流電阻器不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，其功耗約為 25 mW . 配置配置電阻器以使放大器的增益為單位。在這種情況下，輸出電壓（絕對(duì)值）等于流過(guò)負(fù)載的電流。綜合效率非常高，肯定超過(guò)99.8%。顯然，這種解決方案不能用于非常高的電流。

使用電流傳感器代替分流器 ?

使用電流傳感器代替分流器具有很大的優(yōu)勢(shì)。分流器，其實(shí)并不是一個(gè)理想的元件，但是從前面的接線圖中可以看出，它有一個(gè)電感元件（串聯(lián)）和一個(gè)電容元件（并聯(lián)）。因此，不僅需要在直流中進(jìn)行電流測(cè)量，還需要在交流中進(jìn)行電流測(cè)量，因此需要使用更有效的方法，以便在不同的頻率和電流范圍內(nèi)做出更好的估計(jì)，從而獲得更高的結(jié)果準(zhǔn)確性。

電流傳感器具有將初級(jí)電路與次級(jí)電路電隔離的優(yōu)點(diǎn)。這消除了共模電壓紋波的干擾，并大大降低了初級(jí)電流上的噪聲。與分流器相比，電流傳感器的輸出信號(hào)更高，噪聲更低。低得多的插入阻抗降低了功耗，無(wú)疑提高了系統(tǒng)的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子闡明了這個(gè)想法：用于在 1,500 A 下提供 50 mV 的分流電阻器的功耗為 75 W。實(shí)際上，它的阻抗為 0.000033 Ω。為了實(shí)現(xiàn)高測(cè)量穩(wěn)定性和可重復(fù)性，分流器需要非常低的溫度系數(shù)。如果系統(tǒng)在低電流或高電流下使用，則以伏特/安培為單位的靈敏度會(huì)有所不同。例如，DL2000UB-10V 電流傳感器的有效插入阻抗小于 0.5 μΩ，初級(jí)電路中的有效功耗在 1,500 A 時(shí)小于 1 W，比之前的分流器小 100 倍。即使初級(jí)電流非常低，信噪比也非常高。圖3中的表格，顯示了 DS、DM、DL 和 DQ 系列的 Danisense 電流傳感器的摘錄。這些傳感器是超穩(wěn)定和高精度的，并且基于閉環(huán)工作原理，可隨著時(shí)間的推移提供出色的線性度和穩(wěn)定性。

圖 3：DS、DM、DL 和 DQ 系列換能器型號(hào)

從廣義上講，換能器組合的某些型號(hào)可分為以下幾類(lèi)：

0 A 至 600 A 的傳感器

DP50IP-B (72A)

DC200IF (300A)

DS400ID (600 A)

DS50UB-1V (150 A)

600 A 至 3,000 A 的傳感器

DM1200ID (1,800 A)

DL2000ID (3,000 A)

DL2000ID-CB100 (3,000 A)

DL2000UB-10V (2,200 A)

大于 3,000 A 的傳感器

DR5000IM (8,000 A)

DR10000IM (11,000 A)

DR5000UX-10 V/7,500 A (8,000 A)

其中一些提供電流輸出，而另一些提供電壓。許多有趣的模型之一是 DM1200UB-1V（圖 4)，一種超穩(wěn)定和高精度的傳感器，用于測(cè)量高達(dá) 1,800 A 的非侵入式和隔離式直流和交流電。其開(kāi)口直徑為 45 毫米，該寬度允許大型絕緣電纜和高精度測(cè)量泄漏電流的可能性。憑借 15 ppm 的線性度和 10 ppm 的偏移，其閉環(huán)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非常精確的測(cè)量。機(jī)身完全由鋁制成，以改善 EMI 屏蔽和廣泛的工作溫度。它的應(yīng)用范圍從功率測(cè)量和分析到穩(wěn)定電源的構(gòu)建，從粒子加速器到精密驅(qū)動(dòng)器，從電池測(cè)試和評(píng)估系統(tǒng)到電力系統(tǒng)校準(zhǔn)。以下是該設(shè)備的一些電氣特性：

額定初級(jí)交流電流：最大。1,200 武器

標(biāo)稱(chēng)初級(jí)直流電流：最大。1,200 安

測(cè)量范圍：從 –1,800 A 到 1,800 A

標(biāo)稱(chēng)電壓輸出：–1 V 至 1 V

一次/二次比：0.8333 V/kA

線性誤差：從 –15 ppm 到 15 ppm

帶寬 (3 dB)：400 kHz

幅度誤差（10 Hz 至 3 kHz）：0.01

幅度誤差（3 kHz 至 50 kHz）：1

幅度誤差（50 kHz 至 300 kHz）：20

電源電壓：±14.25 V 至 ±15.75 V

正電流消耗：140 mA

負(fù)電流消耗：130 mA

工作溫度范圍：–40?C 至 65?C

圖 4：DM1200UB-1V 傳感器

結(jié)論 ?

今天，所有工業(yè)系統(tǒng)都有電流傳感器，在某些情況下，它們是不可替代的。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是它們可以被工業(yè)控制系統(tǒng)使用和輕松解釋?zhuān)⑶遗c電路和負(fù)載完全隔離。事實(shí)上，將測(cè)量系統(tǒng)直接連接到相關(guān)電路并不總是很方便。它們的足跡是非侵入性的，它們通常具有方形或矩形形狀，可能類(lèi)似于小型揚(yáng)聲器。但是，它們的功能非常重要。換能器操作背后的工程相當(dāng)復(fù)雜，但其操作和輸出數(shù)據(jù)的分析卻極其簡(jiǎn)單，這是最重要的方面。