霍爾電流傳感變送器電路設計

一. 直流電流傳感器

    直流電流傳感器有多種，本文介紹利用霍爾元件的直流電流傳感器和伺服型電流傳感器。若通過直流I1的電線穿過有間隙的磁環，這時，間隙內產生磁通B在磁路未飽和時與電線中通過的電流I1成正比，若通過霍爾元件將此磁通轉換成電壓，則就獲得與被測直流I1成比例的電壓。霍爾元件需要電源電路，而且輸出電壓不太高，需要進行放大，放大電路實例如圖1所示，傳感器采用HC106，其靈敏度為0.6mV/A，考慮霍爾元件的溫度漂移、噪聲電平等，測量電流值可到10A以上。電路中，RP1用于調零，RP2用于滿刻度調整，RP3用于控制電流調整。

     霍爾電流傳感器應用時應該注意以下幾點：

     ■在寬范圍使用時要注意靈敏度溫度特性。對于不同產品，100℃的溫度變化其靈敏度約有百分之幾的變化。霍爾元件有恒壓驅動方式和恒流驅動方式，對于任何驅動方式變化量都回改變，因此，必須使用適宜的電路。

     ■用于幾千赫以上高頻大電流時，若傳感器流經高頻大電流，則磁路就會發熱，連續使用有高頻分量的大電流脈沖時也會有同樣的問題。發熱量與頻率及電流成正比，這樣，有可能損壞傳感器。在這樣的條件下使用時，要根據產品目錄記載的數據確定安全范圍，留有一定余量。

     ■測量雙向直流電流時，若電流方向改變，則零點就會變動，特別時對于高靈敏度的傳感器表現得更顯著。這種現象稱為滯后現象，這是直流使磁路暫時磁化的結果。使用額定電流為10A以下高靈敏度傳感器時要注意這種現象。

     圖2示出伺服型直流傳感器的工作原理示意圖。

   由霍爾元件H檢測的電壓經誤差放大器A1，變成通過反饋線圈（次級線圈）流通，形成伺服系統。所以稱為伺服型。

    對于此電路，工作時間隙內磁通經常保持為0。因此亦稱零磁通，磁平衡，磁補嘗型霍爾電流傳感器。

　　若次級線圈電流為I2，匝數為N，則測量電流I１=NI2，即次級線圈的電流I2為測量電流I1的1/N，工作狀況與交流CT一樣，由此，也稱直流CT。一般要通過取樣電阻RL將次級電流變換成電壓，輸出電壓V0=（I1/N）RL。

    圖3是伺服型直流電流傳感器應用電路實例。

    電路中，RP1用于調零。伺服型電流傳感器中盡管使用了霍爾元件，但靈敏度與霍爾元件無關，也就是說傳感器的靈敏度不會受到霍爾元件的影響，這是伺服型直流電流傳感器的一大特征。然而，零點漂移在原理上是不可避免的。另一個特征是高頻特性好，若達到某一定頻率以上，次級線圈的工作狀態變為交流CT，若結構好，則也可對應于頻率為500KHz的電流。另外，由于磁路的磁通密度低，對于高頻電流磁路的發熱量也很少。

    伺服型直流電流傳感器設計時應注意以下幾個問題：

    ■溫度特性問題，受溫度的影響雖比霍爾型小，但在寬溫度范圍使用時也會出現問題。如上述那樣，零點的溫度變化原理上是不能消除的。這都要根據產品目錄記載的數據進行確認。

    ■確認電源的電流容量。對于伺服型直流電流傳感器，無測量電流時需要空載電流，測量時需要1/N的測量電流。例如：空載電流為50mA，匝數N=200的傳感器，測量電流為100A，則需要的電源電流為50mA+100A/2000=0.1A。因此可知大電流傳感器需要大功率電源。

    ■取樣電阻RL的阻值，對于內置取樣電阻RL而電壓輸出型傳感器不會有問題，但對于外接取樣電阻的傳感器，若阻值選用不合適，則會產生誤差，傳感器不能正常工作。阻值大雖獲得較高輸出電壓，但誤差大，線性也變壞。使用產品目錄數據表中記載的推薦值。

    ■無論是霍爾元件型電流傳感器還是伺服型直流電流傳感器，zui近使用逆變器的情況比較多，電壓噪聲較大，對于傳感器的使用較困難。這時根據產品目錄數據表中記載值難以判斷，因此，需要通過實驗進行驗證。

    霍爾直流電流變送器電路原理圖

　　圖４是DH4-20在霍爾直流電流變送器的應用電路實例。