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(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，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(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反映出導(dǎo)線中的電流大小，即

I∝B∝V_H（2）

式中：I為通過(guò)導(dǎo)線的電流；

B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)后，上述關(guān)系可以表示為等式。

對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)V_H的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類，一類為開(kāi)環(huán)（或稱直測(cè)式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對(duì)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(yùn)算放大器直接進(jìn)行信號(hào)放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開(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(duì)較低；其缺點(diǎn)是其精度、線性度較差，響應(yīng)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(jì)80年代末期，國(guó)外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)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)副邊線圈的電流（I_M）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即

N₁×I_N=N₂×I_M（3）

式中：N₁為原邊線圈的匝數(shù)；

N₂為副邊線圈的匝數(shù)。

由式（3）可以看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)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(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)量。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理