霍尔电流传感器如何使用（霍尔电流传感器的应用）

电流传感器的工作原理

　　电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。（本文下面多以以零磁通闭环产品原理为例）

　　当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，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电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

　　其中，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/NS—匝数比，一般取NP=1。

　　１，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，则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。

　　2、传感器供电电压VA

　　VA指电流传感器的供电电压，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，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA 和负极供电电压VA-。要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要相供高于双电的传感器。

　　3、测量范围Ipmax

　　测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。

　　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。

　　传感器型号、结构和安装方法

　　传感器产品标签一般由“传感器产品型号”和“生产日期”两部分构成。“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、工作电源及接线指示，“传感器生产日期”则是由8位数字构成，表明传感器的生产年月份、批次（一月中的第几批产品）。

　　传感器产品很多，每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同，下面介绍几种典型的外形结构及安装接线方法。

　　1、 25A电流传感器

　　25A电流传感器一种量程很小的传感器，所能测量的额定电流为5、6、8、12、25A，原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少，参见说明书。

　　2、带线电流传感器

　　如常规电流传感器一样，一般传感器都有正极（ ）、负极（-）、测量端（M）及地（0）四个管脚，但带线电流传感器则没有此四个管脚，而是有红、黑、黄、绿三根引线，分别对应于正极、负极、测量端及地。同时在大多传感器中有一内孔，测量原边电流时要将导线穿过该内孔。孔径大小与产品型号、测量电流大小有着必然的关系。

　　不管是什么型号的电流传感器，安装时管脚的接线应根据说明书所注情况进行相应连线。

　　（1）在测量交流电时，必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极（ ）接供电电源“ VA”端，负极接电源的“-VA”端，这种接法叫双极性供电电源。同时测量端（M）通过电阻接电源“0V”端（单指零磁通式）。

　　（2）在测量直流电流时，可使用单极性或单相供电电源，即将正极或负极与“0V”端短接，从而形成只有一个电极相接的情况。

　　另外，安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散热的场合。

　　提高测量精度的方法

　　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。

　　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。

　　传感器标定

　　1、偏移电流ISO

　　偏移电流必须在IP=0、环境温度T≈25℃的条件下进行校准，（双极性供电）接线，且测量电压VM必须满足：

　　VM≦RM×ISO

　　2、精度

　　在IP=IPN（AC or DC）、环境温度T≈25℃、传感器双极性供电、RM为实际测量电阻的条件下进行测量。

　　3、保护性测试

　　传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下：

　　（1）测量电路短路

　　此项测试必须在IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM为实际应用中的电阻条件下进行，输出与地接一开关，开关应在一分钟之内合上和打开。

　　（2）测量电路开路

　　此项测试条件为IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM是实际应用中的电阻条件下进行，输出与电阻接一开关，开关S应在一分钟之内完成闭合/打开切换动作。

　　（3）电源意外倒置测试

　　为防止电源意外倒置而使传感器损坏，在电路中专门加装了保护二极管，此项测试可使用万用表测试二极管两端，测试应在IP=0、环境温度T≈25℃、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进行。可使用以下两种方法测试：

　　第一种：万用表红表笔端接传感器“M”端，万用表黑表笔端接传感器“ ”端；

　　第二种：万用表红表笔接传感器负极，万用表黑表笔接传感器M端；

　　在测试中，如万用表鸣笛，说明二极管已损坏。

　　八、传感器应用计算

　　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

　　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。

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