Hangzhi-Präzision

Was ist ein Hall-Effekt-Stromsensor?

Was ist ein Hall-Effekt-Stromsensor?

A Hall-Effekt-Stromsensor ist ein elektronisches Gerät, das den durch einen Leiter fließenden Strom misst, indem es das Hall-Effekt-Phänomen nutzt. Der Hall-Effekt ist ein physikalisches Prinzip, bei dem an einem Leiter eine Spannungsdifferenz, die sogenannte Hall-Spannung, entsteht, wenn dieser einem Magnetfeld senkrecht zur Stromflussrichtung ausgesetzt wird. Hall-Effekt-Stromsensoren nutzen dieses Phänomen, um die Stärke des durch einen Leiter fließenden Stroms präzise zu messen, ohne dass ein direkter elektrischer Kontakt erforderlich ist.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Hall-Effekt?

Wann wurde der Hall-Effekt entdeckt und wie funktioniert er?

Der Hall-Effekt wurde 1879 vom amerikanischen Physiker Hall entdeckt. Wenn ein Strom durch einen Leiter in einem Magnetfeld fließt, entsteht im Leiter eine Potentialdifferenz senkrecht zur Richtung des Stroms und der Richtung des Magnetfelds. Und die Größe der Potentialdifferenz ist proportional zur vertikalen Komponente der magnetischen Induktion und der Größe des Stroms. Bei Halbleitern ist der Hall-Effekt noch stärker ausgeprägt.

hall-effect-explained

Der Hall-Effekt ist im Wesentlichen die Ablenkung bewegter geladener Teilchen in einem Magnetfeld, die durch die Lorentz-Kraft verursacht wird. Wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Löcher) in einem festen Material eingeschlossen sind, führt diese Ablenkung zur Ansammlung positiver und negativer Ladungen in der Richtung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld, wodurch ein zusätzliches transversales elektrisches Feld, das Hall, entsteht elektrisches Feld EH.
Der Strom IS fließt durch das N-Typ- oder P-Typ-Hall-Element, die Richtung des Magnetfelds B verläuft senkrecht zur Richtung des Stroms IS und die Richtung des Magnetfelds verläuft von innen nach außen. Für N-Typ-Halbleiter und P-Typ-Halbleiter sind die erzeugten Richtungen wie im Hall links und rechts dargestellt. Elektrisches Feld EH (danach können die Eigenschaften des Hall-Elements beurteilt werden – N-Typ oder P-Typ).

Die Hall-Potenzialdifferenz EH verhindert, dass sich die Träger weiter zur Seite verschieben. Wenn die transversale elektrische Feldkraft FE und die Lorentzkraft FB, denen die Träger ausgesetzt sind, gleich sind, erreicht die Ansammlung von Ladungen auf beiden Seiten des Hall-Elements ein dynamisches Gleichgewicht.
Weil:
FE=eEH, FB=evB,
daher:
eEH=eVB (1)
Angenommen, die Breite der Probe sei b, die Dicke sei d und die Trägerkonzentration sei n, dann gilt:
IS=nevbd (2)
Aus den Formeln (1) und (2) können wir Folgendes erhalten:
Hall-Potenzialdifferenz UH=EHb=(1/ne)(ISB/d)=RH(ISB/d)
RH=1/ne ist der Hall-Koeffizient des Materials, ein wichtiger Parameter, der die Stärke des Hall-Effekts des Materials widerspiegelt.
Für ein festes Hall-Element ist die Dicke d fest und KH ist der Hall-Koeffizient des Hall-Elements, der erhalten werden kann:
UH=KHISB (3)
Das heißt: Die Hall-Potenzialdifferenz UH ist proportional zum Strom IS und der magnetischen Induktion B.

Anwendungen des Hall-Effekts

Mithilfe des Hall-Effekts können Schaltsensoren und Linearsensoren hergestellt werden. Hall-Sensoren vom Schaltertyp werden häufig zur Positions-, Weg- und Geschwindigkeitsmessung eingesetzt, und lineare Hall-Sensoren werden häufig zur Messung von Magnetfeld, Strom und Spannung eingesetzt.
In den letzten Jahren besteht ein zunehmender Bedarf an der Messung von Elektrizität mit variabler Frequenz, die keine Netzfrequenz und keine Sinuscharakteristik aufweist. Aufgrund des engen Frequenzanwendungsbereichs elektromagnetischer Transformatoren sind die anwendbaren Frequenzbänder von Hall-Spannungs- und Stromsensoren im Vergleich breit und können für Gleichstrommessungen verwendet werden. Die Marktaussichten sind breit.
Für die genaue Messung variabler Frequenzleistungen in einer komplexen elektromagnetischen Umgebung sollte jedoch aufgrund der Empfindlichkeit des Hall-Sensors gegenüber dem Magnetfeld besonderes Augenmerk auf die Anwendung gelegt werden. Da Hall-Spannungs- und Stromsensoren hauptsächlich zur Spannungs- und Strommessung zu Steuerungszwecken verwendet werden, bieten die Hersteller außerdem im Allgemeinen keine Winkeldifferenzindikatoren an, die für die Leistungsmessung von entscheidender Bedeutung sind. Bei Gelegenheiten, die eine genaue Leistungsmessung erfordern, sollten Sie diese mit Vorsicht verwenden.
Die National Frequency Conversion Power Measurement Instrument Metrology Station hat Stichprobenprüfungen an einigen gängigen Typen von Hall-Spannungs- und Stromsensoren durchgeführt. Bei 50 Hz liegt der Winkeldifferenzindex zwischen 20‘ und 240‘, verglichen mit 10‘ beim elektromagnetischen Transformator mit 0,2 Pegeln. Mit anderen Worten: Der Winkeldifferenzindex ist schlecht und hat bei niedrigen Leistungsfaktoren einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Leistungsmessung.

Wie funktionieren Hall-Effekt-Stromsensoren und welche Typen gibt es?

Zusammenfassung der Hall-Effekt-Stromsensoren

Hall-Stromsensoren umfassen Typen mit offenem und geschlossenem Regelkreis. Die meisten hochpräzisen Hall-Stromsensoren sind Closed-Loop-Sensoren. Der Closed-Loop-Hall-Stromsensor basiert auf dem magnetischen Balance-Hall-Prinzip, also dem Closed-Loop-Prinzip. Wenn der Primärstrom IP erzeugt, wird der magnetische Fluss im Magnetkreis durch den hochwertigen Magnetkern konzentriert, das Hall-Element wird im Luftspalt fixiert, um den magnetischen Fluss zu erfassen, und der umgekehrte Kompensationsstrom wird über die Mehrfachwindung ausgegeben Spule, die auf den Magnetkern gewickelt ist und dazu dient, die Erzeugung von IP auf der Primärseite des Magnetflusses auszugleichen, so dass der Magnetfluss im Magnetkreis immer auf Null gehalten wird. Nach der Verarbeitung durch eine spezielle Schaltung kann der Ausgangsanschluss des Sensors eine Stromänderung ausgeben, die den Strom der Primärseite genau widerspiegelt.

Wie funktionieren Hall-Effekt-Stromsensoren?

Halleffekt-Stromsensoren mit offenem Regelkreis

Wenn der Primärstrom IP durch einen langen Draht fließt, wird um den Draht herum ein Magnetfeld erzeugt. Die Stärke dieses Magnetfeldes ist proportional zum durch den Draht fließenden Strom. Das erzeugte Magnetfeld sammelt sich im Magnetring und gelangt durch den Luftspalt des Magnetrings. Das Hall-Element misst und verstärkt den Ausgang und seine Ausgangsspannung VS spiegelt genau den Primärstrom IP wider. Der allgemeine Nennausgang ist auf 4 V kalibriert.

Halleffekt-Stromsensor mit offenem Regelkreis
Open-Loop-Hall-Stromsensorprinzip

Halleffekt-Stromsensoren mit magnetischer Balance (geschlossener Regelkreis).

Wenn der Primärstrom IP durch einen langen Draht fließt, wird um den Draht herum ein Magnetfeld erzeugt. Die Stärke dieses Magnetfeldes ist proportional zum durch den Draht fließenden Strom. Das erzeugte Magnetfeld sammelt sich im Magnetring und gelangt durch den Luftspalt des Magnetrings. Das Hall-Element misst und verstärkt den Ausgang und seine Ausgangsspannung VS spiegelt genau den Primärstrom IP wider. Der allgemeine Nennausgang ist auf 4 V kalibriert.

Halleffekt-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis
Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis_Magnetisches Gleichgewicht des Hall-Stromsensorprinzips

Der Magnetausgleichsstromsensor wird auch als Kompensationssensor bezeichnet, d. h. das vom Primärstrom Ip am magnetischen Sammelring erzeugte Magnetfeld wird durch das vom Sekundärspulenstrom erzeugte Magnetfeld kompensiert, und der Kompensationsstrom Is spiegelt das genau wider Primärstrom Ip, wodurch das Hall-Gerät in den Betriebszustand versetzt wird, in dem es einen magnetischen Fluss von Null erkennt.

Der spezifische Arbeitsprozess ist: Wenn ein Strom durch den Hauptstromkreis fließt, wird das auf dem Draht erzeugte Magnetfeld vom Magnetring gesammelt und zum Hall-Gerät induziert, und der erzeugte Signalausgang wird verwendet, um die Leistungsröhre anzutreiben und herzustellen Verhalten, wodurch ein Kompensationsstrom Is erhalten wird. Dieser Strom fließt durch die Wicklung mit mehreren Windungen und erzeugt ein Magnetfeld, das dem vom gemessenen Strom erzeugten Magnetfeld genau entgegengesetzt ist. Dadurch wird das ursprüngliche Magnetfeld kompensiert und die Leistung des Hall-Geräts allmählich reduziert. Wenn das durch Multiplikation von Ip und der Anzahl der Windungen erzeugte Magnetfeld gleich ist, nimmt Is nicht mehr zu. Zu diesem Zeitpunkt spielt das Hall-Gerät die Rolle, einen magnetischen Nullfluss anzuzeigen. Zu diesem Zeitpunkt kann IP von Is getestet werden. Wenn sich IP ändert, wird das Gleichgewicht zerstört und das Hall-Gerät hat einen Signalausgang, das heißt, der obige Vorgang wird wiederholt, um wieder ein Gleichgewicht zu erreichen. Jede Änderung des gemessenen Stroms bringt dieses Gleichgewicht durcheinander. Sobald das Magnetfeld aus dem Gleichgewicht gerät, verfügt das Hall-Gerät über einen Signalausgang. Nach der Leistungsverstärkung fließt sofort ein entsprechender Strom durch die Sekundärwicklung, um das unsymmetrische Magnetfeld auszugleichen. Vom Ungleichgewicht des Magnetfelds bis zum erneuten Ausgleich beträgt die erforderliche Zeit theoretisch weniger als 1 μs, was einen dynamischen Ausgleichsprozess darstellt. Daher sind aus makroökonomischer Sicht die Amperewindungen des sekundären Kompensationsstroms zu jedem Zeitpunkt gleich den Amperewindungen des primär gemessenen Stroms.

Der Hauptunterschied zwischen Hall-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis und Hall-Stromsensoren mit offenem Regelkreis

A. Bandbreitenunterschied
Mikroskopisch gesehen ändert sich das Magnetfeld am Luftspalt immer nahe dem Flussnullpunkt. Da sich das Magnetfeld nur sehr wenig ändert, kann die Frequenzänderung schneller erfolgen. Daher verfügt der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis über eine schnelle Reaktionszeit. Die tatsächliche Bandbreite des Hall-Stromsensors im geschlossenen Regelkreis kann normalerweise mehr als 100 kHz erreichen. Die Bandbreite des Open-Loop-Hall-Stromsensors ist normalerweise schmal, wie zum Beispiel: Die Bandbreite des herkömmlichen Open-Loop-Hall-Stromsensors beträgt etwa 3 kHz.
B. Unterschied in der Präzision
Der Ausgang der Sekundärseite des Open-Loop-Hall-Stromsensors ist proportional zur magnetischen Induktionsintensität am Luftspalt des Magnetkerns, und der Magnetkern besteht aus Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität. Nichtlineare Effekte und Hystereseeffekte sind inhärente Eigenschaften aller Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität. Daher weist der Hall-Stromsensor mit offenem Regelkreis im Allgemeinen einen schlechten Linearitätswinkel auf, und der Ausgang der Sekundärseite wird unterschiedlich sein, wenn das Signal der Primärseite steigt und fällt. Die Genauigkeit von Hall-Stromsensoren mit offenem Regelkreis ist typischerweise schlechter als 1%. Da der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis im Nullflusszustand arbeitet, haben die Nichtlinearität und der Hystereseeffekt des Magnetkerns keinen Einfluss auf den Ausgang, und es können eine bessere Linearität und eine höhere Präzision erzielt werden. Die Genauigkeit des Hall-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis kann im Allgemeinen 0,21 TP3T erreichen.

Wichtigste technische Parameter des Hall-Effekt-Stromsensors

Versorgungsspannung VA des Hall-Stromsensors

Die Sensorversorgungsspannung VA bezieht sich auf die Versorgungsspannung des Stromsensors, die innerhalb des vom Sensor angegebenen Bereichs liegen muss. Außerhalb dieses Bereichs kann der Sensor nicht mehr normal funktionieren oder die Zuverlässigkeit wird verringert. Darüber hinaus wird die Versorgungsspannung VA des Sensors in eine positive Versorgungsspannung VA+ und eine negative Versorgungsspannung VA- aufgeteilt. Es ist zu beachten, dass bei Sensoren mit einphasiger Stromversorgung die Versorgungsspannung VAmin doppelt so hoch ist wie die der zweiphasigen Versorgungsspannung VAmin, sodass der Messbereich höher sein sollte als der von Sensoren mit doppelter Stromversorgung.

Messbereich Ipmax

Es bezieht sich auf den maximalen Stromwert, der vom Stromsensor gemessen werden kann, und der Messbereich ist im Allgemeinen höher als der Standardnennwert IPN.

Standardnennwert IPN und Nennausgangsstrom ISN

IPN bezieht sich auf den Standardnennwert, den der Stromsensor testen kann, ausgedrückt in Effektivwert (Arms), und die Größe von IPN hängt vom Modell des Sensorprodukts ab. ISN bezieht sich auf den Nennausgangsstrom des Stromsensors, im Allgemeinen 10–400 mA, natürlich kann er je nach Modell variieren. Fließt der Ausgangsstrom durch den Messwiderstand R, kann ein Spannungsausgangssignal von mehreren Volt proportional zum Primärstrom erhalten werden.

Offset der aktuellen ISO

Offsetstrom wird auch Fehlerstrom oder Reststrom genannt, der hauptsächlich durch den instabilen Betriebszustand von Hall-Elementen oder Operationsverstärkern in elektronischen Schaltkreisen verursacht wird. Bei der Produktion des Stromsensors, bei 25 °C und IP=0, wurde der Offset-Strom auf das Minimum eingestellt, aber der Sensor erzeugt einen bestimmten Betrag an Offset-Strom, wenn er die Produktionslinie verlässt.

Linearität

Die Linearität bestimmt den Grad, in dem das Sensorausgangssignal (sekundärseitiger Strom I0) innerhalb des Messbereichs proportional zum Eingangssignal (primärseitiger Strom I) ist.

Temperaturdrift

Der Offsetstrom ISO wird bei 25°C berechnet. Wenn sich die Umgebungstemperatur um die Hall-Elektrode ändert, ändert sich auch der ISO-Wert. Daher ist es wichtig, die maximale Änderung des Offset-Stroms ISO zu berücksichtigen, wobei sich IOT auf den Temperaturdriftwert in der Leistungstabelle des Stromsensors bezieht.

Überlastfähigkeit

Die Überlastfähigkeit des Stromsensors bedeutet, dass bei Auftreten einer Stromüberlastung der Primärstrom immer noch außerhalb des Messbereichs ansteigt und die Dauer des Überlaststroms sehr kurz sein kann und der Überlastwert den zulässigen Wert des Sensors überschreiten kann . Im Allgemeinen kann es nicht gemessen werden, es führt jedoch nicht zu Schäden am Sensor.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Hall-Effekt-Sensoren hängt vom Standard-Nennstrom IPN ab. Bei +25 °C hat die Messgenauigkeit des Sensors einen gewissen Einfluss auf den Primärstrom, außerdem muss bei der Beurteilung der Genauigkeit des Sensors der Einfluss von Offsetstrom, Linearität und Temperaturdrift berücksichtigt werden.

Anwendungen von Hall-Effekt-Stromsensoren

In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl von Hochleistungstransistoren, Gleichrichtern und Thyristoren in Automatisierungssystemen verwendet, und Schaltungen zur Geschwindigkeitsregelung der Wechselstromfrequenzumwandlung und Pulsweitenmodulation wurden weit verbreitet, sodass die Schaltung nicht mehr nur die traditionelle 50 ist -zyklische Sinuswelle, und es sind verschiedene Arten von Sinuswellen aufgetreten. Wellenform. Bei dieser Art von Schaltung kann die herkömmliche Messmethode die tatsächliche Wellenform nicht widerspiegeln, und die Strom- und Spannungserkennungskomponenten sind nicht für die Erfassung und Erkennung von Stromwellenformen mit mittlerer bis hoher Frequenz und hohem di/dt geeignet.
Hall-Effekt-Sensoren, die Strom und Spannung beliebiger Wellenformen messen können. Der Ausgangsanschluss kann die Wellenformparameter des Stroms oder der Spannung des Eingangsanschlusses wirklich widerspiegeln. Um den gemeinsamen Nachteil der großen Temperaturdrift bei Hall-Effekt-Sensoren zu beseitigen, wird zur Steuerung eine Kompensationsschaltung verwendet, die den Einfluss der Temperatur auf die Messgenauigkeit wirksam reduziert und eine genaue Messung gewährleistet; Es zeichnet sich durch hohe Präzision, einfache Installation und niedrigen Preis aus.
Hall-Effekt-Sensoren werden häufig in Frequenzumwandlungs-Geschwindigkeitsregelgeräten, Wechselrichtergeräten, USV-Stromversorgungen, Kommunikationsstromversorgungen, elektrischen Schweißmaschinen, elektrischen Lokomotiven, Umspannwerken, CNC-Werkzeugmaschinen, elektrolytischen Beschichtungen, Mikrocomputerüberwachung, Stromnetzüberwachung und anderen Einrichtungen verwendet Strom und Spannung müssen isoliert und erkannt werden.

Hall-Stromsensoren, insbesondere Hall-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis, werden im Bereich der industriellen Messung und Steuerung häufig verwendet, da sie über ein breites Frequenzband (AC und DC) verfügen und nicht leicht zu magnetischer Sättigung führen. Allerdings haben Hall-Stromsensoren auch einige Nachteile:
1. Im Vergleich zum elektromagnetischen Stromwandler ist sein Sekundärstrom gering und seine Entstörungsfähigkeit relativ schwach;
2. Anfällig für den Einfluss des Umgebungsmagnetfelds, wodurch die Messgenauigkeit verringert wird;
3. Im Allgemeinen wird der Winkeldifferenzindex nicht bereitgestellt, und wenn er zur Leistungsmessung verwendet wird, kann die Ursache des Systemfehlers nicht zurückverfolgt werden.
Generell wird empfohlen, Hall-Stromsensoren für Steuerungszwecke zu verwenden, bei denen keine Leistungsmessung erforderlich ist oder keine hohe Präzision erforderlich ist. Zur Leistungsmessung bzw. Energiemessung von Netzfrequenz-Sinuskreisen werden elektromagnetische Stromwandler empfohlen.

Anwendungen von Hall-Stromsensoren – Vergleich mit anderen Sensorkomponenten

In der Vergangenheit waren Shunts und Stromwandler die am häufigsten verwendeten Komponenten zur Stromerfassung.
Das größte Problem bei der Verwendung von Shunts besteht darin, dass zwischen Eingang und Ausgang keine galvanische Trennung besteht. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Shunts zur Erkennung hochfrequenter oder großer Ströme zwangsläufig induktiv, sodass der Anschluss des Shunts nicht nur die gemessene Stromwellenform beeinflusst, sondern auch nicht-sinusförmige Wellenformen nicht wirklich übertragen kann.
Der Stromwandler weist bei der angegebenen Arbeitsfrequenz eine hohe Genauigkeit auf, der Frequenzbereich, an den er sich anpassen kann, ist jedoch sehr eng, insbesondere kann er keinen Gleichstrom übertragen. Darüber hinaus entsteht beim Betrieb des Stromwandlers ein Erregerstrom, er ist also ein induktives Element und hat die gleichen Nachteile wie der Shunt.

Anwendung des Hall-Stromsensors – Dinge, die Aufmerksamkeit erfordern

Wie herkömmliche Stromsensoren haben allgemeine Hall-Stromsensoren vier Pins: positiv (+), negativ (-), Messanschluss (M) und Masse (0), drahtgebundene Stromsensoren verfügen jedoch nicht über diese vier Pins. , aber es gibt drei Leitungen in Rot, Schwarz, Gelb und Grün, die jeweils dem Pluspol, dem Minuspol, dem Messanschluss und der Erde entsprechen. Gleichzeitig verfügen die meisten Sensoren über ein Innenloch, und der Draht sollte bei der Messung des Primärstroms durch das Innenloch verlaufen. Die Größe der Apertur hängt zwangsläufig vom Produktmodell und der Größe des gemessenen Stroms ab.

Unabhängig vom Typ des Stromsensors sollte die Verkabelung der Pins gemäß den im Handbuch angegebenen Bedingungen bei der Installation angeschlossen werden.

1) Bei der Messung von Wechselstrom ist die Verwendung einer bipolaren Stromversorgung zwingend erforderlich. Das heißt, der Pluspol (+) des Sensors wird an den „+VA“-Anschluss des Netzteils angeschlossen und der Minuspol wird an den „-VA“-Anschluss des Netzteils angeschlossen. Diese Verbindung wird als bipolare Stromversorgung bezeichnet. Gleichzeitig ist der Messanschluss (M) über einen Widerstand (Einfinger-Null-Magnetfluss-Typ) mit dem „0V“-Anschluss der Stromversorgung verbunden.
2) Bei der Gleichstrommessung kann eine unipolare oder einphasige Stromversorgung verwendet werden, d. h. der Pluspol oder Minuspol wird mit der „0V“-Klemme kurzgeschlossen, sodass nur eine Elektrode angeschlossen ist.

Darüber hinaus müssen bei der Installation die Verwendung, das Modell, die Reichweite und die Installationsumgebung des Produkts vollständig berücksichtigt werden. Beispielsweise sollte der Sensor an einem Ort installiert werden, der die Wärmeableitung begünstigt.
Neben der Installation der Verkabelung, der sofortigen Kalibrierung und Kalibrierung sowie der Beachtung der Arbeitsumgebung des Sensors sollten Sie auch auf die folgenden Punkte achten, um die Testgenauigkeit sicherzustellen:

1) Der Primärdraht sollte in der Mitte des Innenlochs des Sensors platziert werden und möglichst nicht vorgespannt sein;
2) Füllen Sie das Innenloch des Sensors möglichst vollständig und ohne Lücken mit dem Primärdraht aus;
3) Der zu messende Strom sollte nahe am Standard-Nennwert IPN des Sensors liegen und die Differenz sollte nicht zu groß sein. Bei eingeschränkten Bedingungen liegt nur ein Sensor mit einem hohen Nennwert vor und der zu messende Stromwert liegt deutlich unter dem Nennwert. Um die Messgenauigkeit zu verbessern, kann der Primärdraht mehrmals gewickelt werden, um ihn an den Nennwert heranzuführen. Wenn beispielsweise ein Sensor mit einem Nennwert von 100 A zur Messung eines Stroms von 10 A verwendet wird, kann der Primärdraht zur Verbesserung der Genauigkeit zehnmal um die Mitte des Innenlochs des Sensors gewickelt werden (im Allgemeinen: NP=1; in einem Kreis im inneren Loch, NP= 2;…;Neun Kreise, NP=10, dann ist NP×10A=100A gleich dem Nennwert des Sensors, was die Genauigkeit verbessern kann).

Wird der Hall-Stromsensor eine magnetische Sättigung erfahren?

Was ist das magnetische Sättigungsphänomen?

Ein ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Stoff befindet sich in einem Zustand, in dem die magnetische Polarisation oder Magnetisierung mit zunehmender Magnetfeldstärke nicht wesentlich zunimmt.
Aufgrund der Beschränkung der physikalischen Struktur des magnetisch permeablen Materials kann der passierende Magnetfluss nicht unendlich ansteigen. Unabhängig davon, ob Sie den Strom oder die Anzahl der Windungen erhöhen, wird der magnetische Fluss, der durch ein bestimmtes Volumen magnetisch permeablen Materials fließt, nicht mehr bis zu einem bestimmten Wert ansteigen und die magnetische Sättigung erreicht. .
Angenommen, es gibt einen Elektromagneten. Wenn ein Einheitsstrom angelegt wird, beträgt die erzeugte Magnetfeldstärke 1. Wenn der Strom auf 2 ansteigt, erhöht sich die Magnetfeldstärke auf 2,3. Wenn der Strom 5 beträgt, beträgt die Magnetfeldstärke 7. aber der Strom erreicht 6. Wenn die magnetische Feldstärke immer noch 7 beträgt und der Strom weiter erhöht wird, beträgt die magnetische Feldstärke 7 und erhöht sich nicht mehr. Zu diesem Zeitpunkt wird gesagt, dass der Elektromagnet eine magnetische Sättigung aufweist.

Gefahren durch magnetische Sättigung

Das Innere des Hall-Stromsensors besteht aus Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität. Nachdem die Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität magnetisch gesättigt sind, ändert sich der Sekundärstrom (oder die Spannung) des Sensors nicht mehr entsprechend der Änderung des Primärstroms, was zu Messfehlern oder Schutzausfällen des Sekundärkreises führt. Eine vorübergehende magnetische Sättigung kann außerdem zu einer übermäßigen Erwärmung des magnetisch leitenden Materials führen und die Isolierung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis des Hall-Stromsensors beschädigen, wodurch die Sicherheit von Geräten und Personen gefährdet wird.

Problem mit der magnetischen Sättigung des Hall-Stromsensors

Viele Hersteller von Hall-Stromsensoren preisen in ihren technischen Materialien auch die Abwesenheit magnetischer Sättigung als wichtigen Vorteil von Hall-Stromsensoren an. Das Fehlen einer magnetischen Sättigung des Hall-Stromsensors ist fast einer der Hauptvorteile des Hall-Stromsensors, der seit seiner Anwendung weithin anerkannt ist.
Ist das die Wahrheit?
Tatsächlich enthält der Hall-Stromsensor einen nichtlinearen Magnetkern, der bereits festlegt, dass der Hall-Stromsensor unter bestimmten Umständen magnetisch gesättigt ist!

Problem der magnetischen Sättigung eines Hall-Stromsensors mit offenem Regelkreis

Die folgende Abbildung ist ein schematisches Diagramm der typischen Magnetisierungskurve aller Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität:

magnetification-curve-of-hall-effect-current-sensor
Magnetisierungskurve des Hall-Stromsensorkerns

In der Abbildung ist Oa' das anfängliche nichtlineare Segment, a'a“ das lineare Segment und a“a der Sättigungsbereich. Wie wir alle wissen, wird ein Abschnitt mit besserer Linearität in der Magnetisierungskurve als Arbeitsbereich verwendet, um bessere Messergebnisse zu erzielen, sei es ein Hall-Stromsensor mit offenem Regelkreis oder ein elektromagnetischer Transformator. Mit anderen Worten: Solange die magnetische Induktion einen bestimmten Bereich im linearen Bereich überschreitet, tritt magnetische Sättigung auf.
Im Vergleich zum elektromagnetischen Transformator gibt es nur einen Grund für die magnetische Sättigung des Hall-Stromsensors mit offenem Regelkreis, nämlich, dass der Primärstrom groß genug ist.
Aufgrund der niedrigen Stromfrequenz kommt es nicht zu einer magnetischen Sättigung, was den Vorteil des Hall-Stromsensors und auch die magnetische Sättigungseigenschaft des Open-Loop-Hall-Stromsensors darstellt.
Im Gegensatz dazu hat der elektromagnetische Transformator auch den Vorteil, dass die Sekundärlast klein genug ist und selbst bei starker Überlastung keine magnetische Sättigung auftritt.

Problem der magnetischen Sättigung eines Hall-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis

Das Problem der magnetischen Sättigung des Open-Loop-Hall-Stromsensors ist relativ einfach. Im Gegensatz dazu scheint das magnetische Sättigungsproblem des Hall-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis unverständlich, da der magnetische Fluss im Magnetkern Null ist, wenn der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis normal funktioniert. Bei einem magnetischen Fluss von Null wird es natürlich nicht gesättigt sein.
Dies wird jedoch nur unter normalen Arbeitsbedingungen möglich sein!
Selbst wenn das Problem der magnetischen Sättigung des elektromagnetischen Stromtransformators oder des offenen Hall-Stromsensors unter anormalen Arbeitsbedingungen wie Überlastung, niedriger Frequenz und hoher Last auftritt, tritt es unter normalen Arbeitsbedingungen nicht auf. Magnetische Sättigung!
Aus dem Funktionsprinzip des Hall-Stromsensors mit geschlossenem Regelkreis ist ersichtlich, dass ein Magnetfluss von Null unter der Voraussetzung hergestellt wird, dass das von der sekundärseitigen Kompensationswicklung erzeugte Magnetfeld das vom primärseitigen Leiter erzeugte Magnetfeld ausgleichen kann. Kann der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis diesen Nullfluss unter allen Umständen aufrechterhalten?

Offensichtlich nicht!
A. Wenn der Sensor nicht mit Strom versorgt wird, erzeugt die sekundärseitige Kompensationswicklung keinen Strom. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis einem Hall-Stromsensor mit offenem Regelkreis. Solange der Primärstrom groß genug ist, tritt magnetische Sättigung auf.
B. Normale Stromversorgung, aber der Primärstrom ist zu groß. Denn der Strom, den die sekundäre Kompensationswicklung erzeugen kann, ist schließlich begrenzt. Wenn das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld größer ist als das maximale Magnetfeld, das die sekundäre Kompensationswicklung erzeugen kann, wird das magnetische Gleichgewicht gestört und ein Magnetfeld durchdringt den Magnetkern. Wenn der Strom weiter zunimmt, nimmt auch das Magnetfeld im Magnetkern zu. Wenn der Primärstrom groß genug ist, geht der Hall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis in einen Zustand magnetischer Sättigung über!
Im Vergleich zu elektromagnetischen Stromwandlern und Hall-Stromsensoren mit offenem Regelkreis ist die magnetische Sättigung bei Hall-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis weniger wahrscheinlich, aber das bedeutet nicht, dass sie nicht auftritt. Auch unsachgemäßer Gebrauch oder dauerhafte Überlastung können zu einer magnetischen Sättigung führen.

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