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關(guān)于霍爾電流傳感器的原理及磁飽和問題
一、霍爾電流傳感器工作原理
霍爾電流傳感器依據(jù)工作原理不同，可分為開環(huán)式霍爾電流傳感器和閉環(huán)式霍爾電流傳感器。
1.開環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理
開環(huán)式霍爾電流傳感器也稱：直放式霍爾電流傳感器、直檢式霍爾電流傳感器等。如圖1，開環(huán)式霍爾電流傳感器由磁芯、霍爾元件和放大電路構(gòu)成。磁芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙出。當(dāng)原邊導(dǎo)體流過電流時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場強(qiáng)度與電流大小成正比的磁場，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號，放大電路將該信號放大出，該類傳感器通常輸出±10V左右的電壓信號，也有部分傳感器為了增強(qiáng)電磁兼容性，變換為電流信號輸出。
閉環(huán)式霍爾電流傳感器也稱：零磁通霍爾電流傳感器、零磁通互感器、磁平衡式霍爾電流傳感器等。放大電路接受霍爾元件的輸出，并放大為電流信號提供給副邊補(bǔ)償繞組，副邊補(bǔ)償繞組在磁芯中產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場在氣隙處大小相等，方向相反，抵消原邊磁場，形成負(fù)反饋閉環(huán)控制電路。若副邊電流過小，產(chǎn)生的磁場不足以抵消原邊磁場，放大電路將輸出更大的電流，反之，放大電路輸出電流減小，從而維持氣隙處的磁場平衡。若原邊電流發(fā)生變化，氣隙處磁場平衡被破壞，負(fù)反饋閉環(huán)控制電路同樣會調(diào)節(jié)副邊輸出電路，使磁場重新達(dá)到平衡。宏觀上講，氣隙處將一直維持零磁通，保持磁平衡，這也是零磁通互感器及磁平衡霍爾電流傳感器名稱的來由。
3.閉環(huán)式霍爾電流傳感器與開環(huán)式霍爾電流傳感器的主要區(qū)別
A、帶寬區(qū)別
微觀上講，氣隙處的磁場始終在零磁通附近變化，由于磁場變化幅度非常小，變化幅度小，變化的頻率可以更快，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器具有很快的響應(yīng)時間。實際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達(dá)到100kHz以上。而開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄。
B、精度區(qū)別
開環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁芯由高導(dǎo)磁材料制作而成，非線性和磁滯效應(yīng)是所有高導(dǎo)磁材料的固有特點，因此，開環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號在上升和下降過程中副邊輸出會有不同。開環(huán)式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環(huán)式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態(tài)，磁芯的非線性及磁滯效應(yīng)不對輸出造成影響，可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環(huán)式霍爾電流傳感器精度一般可達(dá)0.2%。
二、霍爾電流傳感器磁飽和問題
許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料中也將無磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個重要優(yōu)點來宣傳。霍爾電流傳感器不會發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點之一。
事實上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會發(fā)生磁飽和。
1、開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：
2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題較簡單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題似乎不可理解，因為閉環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會飽和。然而，這只能將是在正常工作條件下！
事實上，即便是電磁式電流互感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題都是發(fā)生在過載，頻率過低，負(fù)荷過大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會發(fā)生磁飽和。從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個零磁通呢？
顯然不是！
A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個開環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會發(fā)生磁飽和。
B、正常供電，原邊電流過大。這是因為二次補(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時，磁平衡被打破，磁芯中有磁場通過，原邊電流繼續(xù)加大時，磁芯中磁場也隨著增大，原邊電流足夠大時，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)！
與電磁式電流互感器及開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會發(fā)生，使用不當(dāng)或長時間過載，也會發(fā)生磁飽和。
本文轉(zhuǎn)載，侵刪。
霍爾電流傳感器依據(jù)工作原理不同，可分為開環(huán)式霍爾電流傳感器和閉環(huán)式霍爾電流傳感器。
1.開環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理
開環(huán)式霍爾電流傳感器也稱：直放式霍爾電流傳感器、直檢式霍爾電流傳感器等。如圖1，開環(huán)式霍爾電流傳感器由磁芯、霍爾元件和放大電路構(gòu)成。磁芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙出。當(dāng)原邊導(dǎo)體流過電流時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場強(qiáng)度與電流大小成正比的磁場，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號，放大電路將該信號放大出，該類傳感器通常輸出±10V左右的電壓信號，也有部分傳感器為了增強(qiáng)電磁兼容性，變換為電流信號輸出。
圖1
2.閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理閉環(huán)式霍爾電流傳感器也稱：零磁通霍爾電流傳感器、零磁通互感器、磁平衡式霍爾電流傳感器等。放大電路接受霍爾元件的輸出，并放大為電流信號提供給副邊補(bǔ)償繞組，副邊補(bǔ)償繞組在磁芯中產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場在氣隙處大小相等，方向相反，抵消原邊磁場，形成負(fù)反饋閉環(huán)控制電路。若副邊電流過小，產(chǎn)生的磁場不足以抵消原邊磁場，放大電路將輸出更大的電流，反之，放大電路輸出電流減小，從而維持氣隙處的磁場平衡。若原邊電流發(fā)生變化，氣隙處磁場平衡被破壞，負(fù)反饋閉環(huán)控制電路同樣會調(diào)節(jié)副邊輸出電路，使磁場重新達(dá)到平衡。宏觀上講，氣隙處將一直維持零磁通，保持磁平衡，這也是零磁通互感器及磁平衡霍爾電流傳感器名稱的來由。
3.閉環(huán)式霍爾電流傳感器與開環(huán)式霍爾電流傳感器的主要區(qū)別
A、帶寬區(qū)別
微觀上講，氣隙處的磁場始終在零磁通附近變化，由于磁場變化幅度非常小，變化幅度小，變化的頻率可以更快，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器具有很快的響應(yīng)時間。實際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達(dá)到100kHz以上。而開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄。
B、精度區(qū)別
開環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁芯由高導(dǎo)磁材料制作而成，非線性和磁滯效應(yīng)是所有高導(dǎo)磁材料的固有特點，因此，開環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號在上升和下降過程中副邊輸出會有不同。開環(huán)式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環(huán)式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態(tài)，磁芯的非線性及磁滯效應(yīng)不對輸出造成影響，可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環(huán)式霍爾電流傳感器精度一般可達(dá)0.2%。
二、霍爾電流傳感器磁飽和問題
許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料中也將無磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個重要優(yōu)點來宣傳。霍爾電流傳感器不會發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點之一。
事實上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會發(fā)生磁飽和。
1、開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：
霍爾電流傳感器磁芯的磁化曲線
圖中，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’a為飽和區(qū)。眾所周知，為了獲取較好的測量結(jié)果，不論是開環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會將磁化曲線中線性度較好的一段作為工作區(qū)間。換言之，只要磁感應(yīng)強(qiáng)度超出線性區(qū)域一定的范圍，就會發(fā)生磁飽和。與電磁式互感器相比，開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和原因只有一個，就是原邊電流足夠大。不會因為電流頻率低導(dǎo)致磁飽和，這是霍爾電流傳感器的優(yōu)點，也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點。相比之下，電磁式互感器也有一個優(yōu)點，就是二次負(fù)荷足夠小時，即便過載較多，也不會發(fā)生磁飽和。2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題較簡單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題似乎不可理解，因為閉環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會飽和。然而，這只能將是在正常工作條件下！
事實上，即便是電磁式電流互感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題都是發(fā)生在過載，頻率過低，負(fù)荷過大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會發(fā)生磁飽和。從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個零磁通呢？
顯然不是！
A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個開環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會發(fā)生磁飽和。
B、正常供電，原邊電流過大。這是因為二次補(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時，磁平衡被打破，磁芯中有磁場通過，原邊電流繼續(xù)加大時，磁芯中磁場也隨著增大，原邊電流足夠大時，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)！
與電磁式電流互感器及開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會發(fā)生，使用不當(dāng)或長時間過載，也會發(fā)生磁飽和。
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