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（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過一根導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場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。

對于霍爾輸出電壓信號(hào)V_H的處理，人們設(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)（或稱直測式、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，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡單，成本相對較低；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。為了克服開環(huán)傳感器的不足，上世紀(jì)80年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠引進(jìn)國外技術(shù)在國內(nèi)率先開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過十幾年的努力，這種傳感器在國內(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，通過一個(gè)副邊線圈的電流（I_M）所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(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)，通過測量副邊補(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量。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理