技術(shù)淺談之電流傳感器

電流傳感器是一種電流檢測裝置，可以檢測被測電流的信息，按比例換算成符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號，以滿足信息的傳遞、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

分流器

即高精度電阻，作為常見的電流檢測元件，具有精度高，線性度好以及溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點，常用于小電流直流應(yīng)用，對于交流應(yīng)用需要與線性光耦搭配使用。分流器由于直接串聯(lián)于電路當(dāng)中，具有插入損耗與發(fā)熱問題，因此大電流應(yīng)用常采用非插入型產(chǎn)品方案。

電流互感器

利用原副邊匝比不同來進行電流信號檢測，只能作為交流信號的檢測，具有成本低，精度高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

霍爾電流傳感器

霍爾效應(yīng)是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖磁力作用引起的偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的積聚，從而形成橫向電場，將該電場進行信號放大處理即轉(zhuǎn)換為滿足標(biāo)準(zhǔn)的輸出所需信號。因此利用霍爾效應(yīng)可以實現(xiàn)非接觸式電流檢測，具有無插入損耗、隔離式、檢測精度高、結(jié)構(gòu)電路簡單等優(yōu)點。

開環(huán)電流傳感器：將原邊電流產(chǎn)生的電磁信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過放大器輸出，有貼片式產(chǎn)品作為小電流檢測，也有模塊式作為大電流檢測。

閉環(huán)電流傳感器：在磁芯上饒副邊線圈，在原邊有電流流過時，副邊線路電流產(chǎn)生的補償磁通與原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通總量為零?；魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小，原副邊電流大小為線圈匝比關(guān)系。

閉環(huán)電流傳感器具有精度高、線性度好、磁失調(diào)小、動態(tài)性能好等優(yōu)點，成本相對較高，功率損耗大。

磁通門電流傳感器

與霍爾電流傳感器類似，都是通過檢測氣隙中磁通大小來檢測電流信號，只是氣隙中感應(yīng)元件變?yōu)榇磐ㄩT探頭。

如下為幾種常用電流傳感器對比

磁阻電流傳感器

磁阻技術(shù)的發(fā)展，使得電流傳感器感應(yīng)元件得到了進一步擴充，其中各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)以及隧道磁阻(TMR)技術(shù)的發(fā)展使得電流傳感器實現(xiàn)更高精度、更好溫度穩(wěn)定性以及更高帶寬，目前成品主要為貼片式電流檢測產(chǎn)品。

物質(zhì)在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，稱為“磁阻效應(yīng)”，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象，通常情況下，物質(zhì)的電阻率在磁場中僅產(chǎn)生輕微的減??；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，稱為“巨磁阻效應(yīng)”（GMR）。

隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實際應(yīng)用。磁隧道結(jié)（MTJ s）中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優(yōu)點，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

精度計算

電流傳感器最核心的參數(shù)即電流檢測精度，電流精度主要考慮線性度、零點以及零點溫漂，閉環(huán)產(chǎn)品增加一個增益誤差。

開環(huán)產(chǎn)品精度計算：

XG = εL + εVoe + εTCVoe    

閉環(huán)產(chǎn)品精度計算：

XG = εL + εG + εIoe + εTCIoe

通常規(guī)格書給出的為額定電流下所對應(yīng)的精度，所有誤差的算法，其中分母為當(dāng)前測試電流所對應(yīng)的值，因此以線性誤差為例，額定電流100A的電流傳感器，其線性誤差為1%，在實際電流10A時，其線性誤差達(dá)到了10%（1%*100/10），同理零點誤差與零點漂移誤差也隨之增大。

電流傳感器的小電流精度才是真正考驗傳感器的地方，因此為了滿足不同電流的精度需求，目前市面上有雙量程輸出的電流傳感器，以及霍爾電流傳感器與分流器組合方式，其中霍爾負(fù)責(zé)大電流，分流器負(fù)責(zé)小電流。磁阻技術(shù)的引入也增加了高精度需求的可選項。