霍爾電流傳感器與電源計算方式

杭州歐磁電子科技有限公司 聯(lián)系人：李開來 聯(lián)系電話： 18069257565

霍爾電流傳感器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和無插入損耗等諸多優(yōu)點，因而被廣泛應用于變頻器、逆變器、電源、電焊機、變電站、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(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、電壓等各個領域中?；魻杺鞲衅餍栌玫街绷麟娫?a target="_blank">供電才可正常工作，在做產(chǎn)品設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軟件進行仿真，所推導的理論計算公式可為產(chǎn)品設計提供參考。

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為開環(huán)霍爾電流傳感器

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，磁芯氣隙處磁感應強度與原邊電流成正比，霍爾元件兩端感應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。

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)的基礎上增加了反饋線圈，霍爾元件兩端感應到的霍爾電流經(jīng)過放大后控制后端的三極管電路產(chǎn)生補償電流，補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，當磁芯氣隙處的磁場強度補償為0時，傳感器的輸出滿足IS=IP/KN,其中KN為補償線圈的匝數(shù)。

圖2為霍爾閉環(huán)電流傳感器原理

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，因為其輸出信號為電壓，所以其功耗相對較為穩(wěn)定。通常霍爾電流傳感器的電流設計為采用正負電源供電，其額定輸出電壓一般為幾伏，一般不超過10伏。輸出端對負載的要求一般為大于10KΩ，所以流過負載的電流一般小于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OC-LT205-S為例來分析閉環(huán)電流傳感器的電流消耗。

圖3為OC-LT205-S的原理示意

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，按照通常的設計流過霍爾元件的電流控制在10mA以內(nèi)。其次是補償電流驅(qū)動電路，對于輸出電流較小的傳感器，補償電流驅(qū)動電路可只由運放組成。而對于需要輸出較大電流的傳感器，補償電流驅(qū)動電路通常由運放和一對串聯(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。補償電流產(chǎn)生電路，在前面補償電流驅(qū)動電路的驅(qū)動作用下，三極管輸出補償電流。三極管補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)動電流和補償電流驅(qū)動電路電流兩部分的總和。因為此時輸出電流為零，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，假設其方向和傳感器的正方向一致。此時補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4為閉環(huán)電流傳感器測量直流電流時消耗電流流向

和傳感器的負方向一致時補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

同理-VC端消耗電流的有效值和平均值與+VC端的相同。

傳感器電流消耗的LTspice仿真

使用LTspice對傳感器的電流消耗進行仿真，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，此處正負電源的消耗不完全相等，主要是因為零點的存在，此時傳感器的零點為0.06mA。其中流過霍爾元件的電流為8.83mA，補償電路驅(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5為閉環(huán)電流傳感器IP=0時的輸出電流及消耗電流

當施加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6為環(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，因為傳感器采用直流電源供電，電壓穩(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，使用開環(huán)電流傳感器時+VC和-VC消耗電流基本相等?？砂凑照f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，因為+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的公式來計算。因上面的推導公式需要較多計算，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上，分析了霍爾電流傳感器的電流消耗組成，并推導了傳感器+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軟件進行了仿真模擬，仿真結(jié)果與理論推導的結(jié)果一致。主要結(jié)論有：

●對于霍爾開環(huán)電流傳感器，因為其輸出信號為電壓，

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；另外一部分為補償電流驅(qū)動電路，約為5mA左右。

■當施加原邊電流進行測試時，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)。當被測電流方向與傳感器的負方向一致時，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

三極管輪流導通來產(chǎn)生補償電流，所以補償電流是輪流從+VC和-VC輸出的，當被測電流方向為正，即和傳感器的正方向一致時補償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生；當被測電流方向為負方向時，即和傳感器的負方向一致時補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。