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霍爾電流傳感器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和無插入損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變頻器、逆變器、電源、電焊機(jī)、變電站、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測的大電流、電壓等各個領(lǐng)域中。霍爾傳感器需用到直流電源供電才可正常工作，在做產(chǎn)品設(shè)計時需要考慮其功率消耗，本文基于傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器，精確計算其電流消耗，并利用LTspice軟件進(jìn)行仿真，所推導(dǎo)的理論計算公式可為產(chǎn)品設(shè)計提供參考。
霍爾電流傳感器工作原理
從工作原理上，霍爾電流傳感器可以分為霍爾開環(huán)電流傳感器和霍爾閉環(huán)電流傳感器。
●霍爾開環(huán)電流傳感器
圖1 霍爾開環(huán)電壓傳感器的工作原理
霍爾傳感器的磁芯使用軟磁材料，原邊電流產(chǎn)生磁場通過磁芯聚磁，在磁芯切開一個均勻的切口，磁芯氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度與原邊電流成正比，霍爾元件兩端感應(yīng)到的霍爾電壓的大小與原邊電流及流過霍爾元件電流的乘積成正比，霍爾電壓經(jīng)過放大后作為傳感器的輸出。其輸出關(guān)系式滿足：
VOUT=K*IP*IHall
其中K為固定的常數(shù)，其大小通常與磁芯的尺寸，材料性質(zhì)，氣隙開口的寬度，以及處理電路的放大倍數(shù)有關(guān)。
●霍爾閉環(huán)電流傳感器的工作原理：
閉環(huán)電流傳感器在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加了反饋線圈，霍爾元件兩端感應(yīng)到的霍爾電流經(jīng)過放大后控制后端的三極管電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電路流過纏繞在磁芯上的線圈，產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場方向相反，當(dāng)磁芯氣隙處的磁場強(qiáng)度補(bǔ)償為0時，傳感器的輸出滿足IS=IP/KN,其中KN為補(bǔ)償線圈的匝數(shù)。
圖2 霍爾閉環(huán)電壓傳感器的工作原理
傳感器的功耗計算
●開環(huán)電流傳感器的功耗計算
對于開環(huán)電流傳感器，因?yàn)槠漭敵鲂盘枮殡妷海云涔南鄬^為穩(wěn)定。通常霍爾電流傳感器的電流設(shè)計為采用正負(fù)電源供電，其額定輸出電壓一般為幾伏，一般不超過10伏。輸出端對負(fù)載的要求一般為大于10KΩ，所以流過負(fù)載的電流一般小于1個mA。通常開環(huán)傳感器的電流消耗小于15mA。電流消耗主要是霍爾元件消耗的電流，流入霍爾元件兩端的電流通常要求小于20mA，LEM的產(chǎn)品霍爾電流通常在10mA左右。另外在調(diào)壓支路還有幾mA的電流消耗。這樣開環(huán)傳感器的電流消耗可以維持在十幾mA的水平內(nèi)，通常說明書上標(biāo)的都是不超過15mA。
●閉環(huán)電流傳感器的功耗計算
閉環(huán)傳感器輸出信號為電流，其功耗相對于開環(huán)傳感器多很多，下面以LF 205-S為例來分析閉環(huán)電流傳感器的電流消耗。
圖3為LF 205-S的原理示意
圖4為 LF205-S原理圖
從圖中可以看出閉環(huán)電流傳感器的主要電路包括幾部分：首先是霍爾元件的驅(qū)動電路，傳感器可以測量準(zhǔn)確的前提是首先要給霍爾元件提供一個穩(wěn)定的電流，通常在10mA左右。一般可通過穩(wěn)壓二極管和三極管來實(shí)現(xiàn)。這一部分的電流消耗主要集中在霍爾元件，按照通常的設(shè)計流過霍爾元件的電流控制在10mA以內(nèi)。其次是補(bǔ)償電流驅(qū)動電路，對于輸出電流較小的傳感器，補(bǔ)償電流驅(qū)動電路可只由運(yùn)放組成。而對于需要輸出較大電流的傳感器，補(bǔ)償電流驅(qū)動電路通常由運(yùn)放和一對串聯(lián)的三極管電路組成。此部分消耗的電流通常很小，一般為幾個mA。補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路，在前面補(bǔ)償電流驅(qū)動電路的驅(qū)動作用下，三極管輸出補(bǔ)償電流。三極管補(bǔ)償電流即是傳感器的輸出電流，其大小取決于原邊被測電流。在靜態(tài)即無被測電流的情況下，無補(bǔ)償電流輸出。所以對于閉環(huán)電流傳感器，其靜態(tài)電流主要是霍爾驅(qū)動電流和補(bǔ)償電流驅(qū)動電路電流兩部分的總和。因?yàn)榇藭r輸出電流為零，所以傳感器從+VC和-VC消耗的電流相等。即IC0(+VC)=IC0(-VC)圖4? 閉環(huán)電流傳感器靜態(tài)消耗電流流向而在動態(tài)情況下，即在測量電流的情況下，傳感器輸出電流不為零，IC0 (+VC)和IC0 (-VC)的大小取決于被測電流的大小和方向。如果被測電流為直流，假設(shè)其方向和傳感器的正方向一致。此時補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生，也就是說此時輸出電流完全由+VC提供。而-VC的電流大小仍然為IC0 (-VC)。IC(+VC)= IC0 (+VC)+ IS
圖5 閉環(huán)電流傳感器測量直流電流時消耗電流流向
如果被測電流為交流，則上半部分和下半部分的三極管輪流導(dǎo)通來產(chǎn)生補(bǔ)償電流。假設(shè)被測電流為正弦波，其電流的有效值為IP，則輸出電流同樣也為正弦交流，其有效值為IS=IP/KN。因?yàn)槿龢O管輪流導(dǎo)通，所以補(bǔ)償電流是輪流從+VC和-VC輸出的，當(dāng)被測電流方向?yàn)檎春蛡鞲衅鞯恼较蛞恢聲r補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生；當(dāng)被測流方向?yàn)樨?fù)，即
和傳感器的負(fù)方向一致時補(bǔ)償電流完全由下半部的三極管產(chǎn)生。此時消耗電流的波形為一直流疊加了半個周期的正弦波，整個電流的波形峰值為Icpeak=Ic0(+VC)+ 2 IS則此時的電流有效值為ICrms(+VC)=π/ 2 222) (020 S CI IsI VCcI ? + + +平均值為Cave(+VC)=IC0+ π/ 2SI
同理-VC端消耗電流的有效值和平均值與+VC端的相同。
圖6 閉環(huán)電流傳感器測量交流電流時消耗電流流向
傳感器電流消耗的LTspice仿真
使用LTspice對傳感器的電流消耗進(jìn)行仿真，按照圖4的電路分別對靜態(tài)、測量直流和測量交流電流的情況進(jìn)行仿真。從圖7中可以看出，靜態(tài)時+VC的消耗電流為15.33mA，-VC的靜態(tài)消耗電流為15.27mA，此處正負(fù)電源的消耗不完全相等，主要是因?yàn)榱泓c(diǎn)的存在，此時傳感器的零點(diǎn)為0.06mA。其中流過霍爾元件的電流為8.83mA，補(bǔ)償電路驅(qū)動電路消耗電流為5.24mA，從數(shù)據(jù)中可以看出，這兩部分電流加起來為14.07mA，約占整個+VC消耗電流的91.8%
圖7 閉環(huán)電流傳感器IP=0時的輸出電流及消耗電流
當(dāng)施加200ADC原邊電流后，傳感器的輸出為100.06mA，此時+VC端的消耗電流為116.21mA，-VC端的消耗電流為16.15mA
圖8閉環(huán)電流傳感器測量200ADC時的輸出電流及消耗電流
當(dāng)在原邊施加有效值200Arms的正弦交流電后，傳感器的輸出為正弦交流，因?yàn)樯舷氯龢O管輪流導(dǎo)通，補(bǔ)償電流按照半個周期的間隔分別疊加到+VC和-VC的消耗電流上。此時傳感器輸出電流的有效值為100.00mA。+VC端的消耗電流波形如圖所示，根據(jù)仿真的結(jié)果，VC的消耗電流有效值為81.99mA，平均電流為60.96mA，-VC端消耗電流的有效值為81.72mA，平均值為60.90mA。而根據(jù)前面的公式，在不考慮零點(diǎn)的情況下計算出的+VC理論消耗電流為81.33mA，平均值為60.34mA，-VC端的消耗電流為81.29mA，平均值為60.28mA，與仿真結(jié)果一致。
圖9? 環(huán)電流傳感器測量200A?AC時的輸出電流及消耗電流
對于電源消耗功率的計算，因?yàn)閭鞲衅鞑捎弥绷麟娫垂╇姡妷悍�(wěn)定不變，所以傳感器的平均功耗功率為VC*IVCave。根據(jù)前面的推導(dǎo)，使用開環(huán)電流傳感器時+VC和-VC消耗電流基本相等。可按照說明書上給出的IC值來選擇電源功率。而使用閉環(huán)電流傳感器時，因?yàn)?/SPAN>+VC和-VC消耗電流的大小取決于被測電流方向和幅值。測量直流時如果方向不變，則+VC,和-VC消耗電流會相差較大，具體可按照上面的推導(dǎo)方法來分別計算+VC和-VC平均消耗的功率。測量交流時，消耗電流的波形為一直流疊加了半個周期的正弦波，精確的計算可按照上面推導(dǎo)的公式來計算。因上面的推導(dǎo)公式需要較多計算，簡便的算法可按照I0+IS來估算。
總結(jié)
本文在介紹霍爾電流傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，分析了霍爾電流傳感器的電流消耗組成，并推導(dǎo)了傳感器+VC和-VC在靜態(tài)及在測試直流和交流電流時的消耗電流，并利用LTspice軟件進(jìn)行了仿真模擬，仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)的結(jié)果一致。主要結(jié)論有：
●對于霍爾開環(huán)電流傳感器，因?yàn)槠漭敵鲂盘枮殡妷海?/SPAN>
所以其功耗相對較為穩(wěn)定。通常開環(huán)傳感器的電流消耗小于15mA。其中主要電流消耗在霍爾元件的驅(qū)動電流上。
●對于霍爾閉環(huán)電流感器，其電流消耗主要分為靜態(tài)消耗電流和動態(tài)消耗電流：
■靜態(tài)消耗電流主要包括兩部分：一部分是霍爾元件的驅(qū)動電路，在10mA左右；另外一部分為補(bǔ)償電流驅(qū)動電路，約為5mA左右。
■當(dāng)施加原邊電流進(jìn)行測試時，I0(+VC)和I0(-VC)的大小
取決于被測電流的大小和方向：
◆在被測電流為直流，消耗電流的大小取決于被測電流的方向和幅值。若其方向和傳感器的正方向一致。此時補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生，也就是說此時輸出電流完全由+VC提供，此時+VC的消耗電流為IC(+VC)= IC0 (+VC)+ IS，而-VC的電流大小仍然為I0(-VC)。當(dāng)被測電流方向與傳感器的負(fù)方向一致時，IS疊加到-VC上，其大小與IC(-VC)= IC0 (-VC)+ IS
◆在被測電流為交流的情況下，則上半部分和下半部分的
三極管輪流導(dǎo)通來產(chǎn)生補(bǔ)償電流，所以補(bǔ)償電流是輪流從+VC和-VC輸出的，當(dāng)被測電流方向?yàn)檎春蛡鞲衅鞯恼较蛞恢聲r補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生；當(dāng)被測電流方向?yàn)樨?fù)方向時，即和傳感器的負(fù)方向一致時補(bǔ)償電流完全由下半部的三極管產(chǎn)生。此時消耗電流的波形為一直流疊加了半個周期的正弦波，整個電流的波形峰值為Icpeak=Ic0 (+VC)+，則此時的電流有效值為。-VC的消耗與+VC一樣，可按照上面的兩個公式來計算。※
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