閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

2.2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱(chēng)霍爾磁補償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當電流流過(guò)一根導線(xiàn)時(shí)，將在導線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線(xiàn)形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測得的輸出信號，直接反映出導線(xiàn)中的電流大小，即

I∝B∝V_H（2）

式中：I為通過(guò)導線(xiàn)的電流；

B為導線(xiàn)通電流后產(chǎn)生的磁感應強度。

當選擇適當的比例系數后，上述關(guān)系可以表示為等式。

對于霍爾輸出電壓信號V_H的處理，人們設計了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為開(kāi)環(huán)（或稱(chēng)直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類(lèi)為閉環(huán)（或稱(chēng)零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾器件的輸出電壓用運算放大器直接進(jìn)行信號放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來(lái)標定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱(chēng)為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對較低；其缺點(diǎn)是其精度、線(xiàn)性度較差，響應時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為了克服開(kāi)環(huán)傳感器的不足，上世紀80年代末期，國外出現了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠(chǎng)引進(jìn)國外技術(shù)在國內率先開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，這種傳感器在國內逐漸為廣大用戶(hù)了解和應用。

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的（如圖2），即原邊電流（I_N）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線(xiàn)圈的電流（I_M）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達到平衡時(shí)，即

N₁×I_N=N₂×I_M（3）

式中：N₁為原邊線(xiàn)圈的匝數；

N₂為副邊線(xiàn)圈的匝數。

由式（3）可以看出，當已知傳感器原邊和副邊線(xiàn)圈匝數時(shí)，通過(guò)測量副邊補償電流I_M的大小，即可推算出原邊電流I_N的值，從而實(shí)現了原邊電流的隔離測量。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理