Что такое датчик тока на эффекте Холла?

А Датчик тока на эффекте Холла это электронное устройство, которое измеряет ток, проходящий через проводник, используя явление эффекта Холла. Эффект Холла — это физический принцип, согласно которому на проводнике возникает разность напряжений, известная как напряжение Холла, когда он подвергается воздействию магнитного поля, перпендикулярного направлению тока. Датчики тока на эффекте Холла используют это явление для точного измерения величины тока, протекающего через проводник, без необходимости прямого электрического контакта.

Что такое эффект Холла?

Когда был открыт эффект Холла и как он работает?

Эффект Холла был открыт американским физиком Холлом в 1879 году. При прохождении тока по проводнику в магнитном поле в проводнике будет возникать разность потенциалов, перпендикулярная направлению тока и направлению магнитного поля. А величина разности потенциалов пропорциональна вертикальной составляющей магнитной индукции и величине тока. В полупроводниках эффект Холла выражен еще сильнее.

Эффект Холла — это, по сути, отклонение движущихся заряженных частиц в магнитном поле, вызванное силой Лоренца. Когда заряженные частицы (электроны или дырки) удерживаются в твердом материале, это отклонение приводит к накоплению положительных и отрицательных зарядов в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю, тем самым образуя дополнительное поперечное электрическое поле, т. е. холловское поле. электрическое поле ЭН.
Ток IS проходит через элемент Холла N-типа или Р-типа, направление магнитного поля B перпендикулярно направлению тока IS, а направление магнитного поля — изнутри наружу. Для полупроводников N-типа и полупроводников P-типа генерируемые направления показаны в зале слева и справа. Электрическое поле EH (по этому можно судить о свойствах элемента Холла – N-типа или P-типа).

Разность потенциалов Холла EH препятствует дальнейшему смещению носителей в сторону. Когда сила поперечного электрического поля FE и сила Лоренца FB, действующая на носители, равны, накопление зарядов по обе стороны элемента Холла достигает динамического баланса.
потому что:
FE=eEH, FB=evB,
поэтому:
еЭГ=эВБ (1)
Предположим, что ширина образца равна b, толщина равна d, а концентрация носителей равна n, тогда:
IS=невбд (2)
Из формул (1) и (2) можно получить:
Разность потенциалов Холла UH=EHb=(1/ne)(ISB/d)=RH(ISB/d)
RH=1/ne – коэффициент Холла материала, который является важным параметром, отражающим силу эффекта Холла материала.
Для фиксированного элемента Холла толщина d фиксирована, а KH — коэффициент Холла элемента Холла, который можно получить:
УХ=ХИСБ (3)
То есть: разность потенциалов Холла UH пропорциональна току IS и магнитной индукции B.

Применение эффекта Холла

Используя эффект Холла, можно изготовить датчики переключения и линейные датчики. Датчики Холла переключающего типа широко используются для измерения положения, перемещения и скорости, а линейные датчики Холла широко используются для измерения магнитного поля, тока и напряжения.
В последние годы растет спрос на измерение электроэнергии переменной частоты с неэнергетической частотой и несинусоидальными характеристиками. Из-за узкого частотного диапазона применения электромагнитных трансформаторов, по сравнению с применимыми частотными диапазонами датчиков Холла напряжения и тока, широкими, и их можно использовать для измерения постоянного тока, его рыночные перспективы широки.
Однако для точного измерения мощности переменной частоты в сложной электромагнитной среде из-за чувствительности датчика Холла к магнитному полю следует уделить особое внимание применению. Кроме того, поскольку датчики напряжения и тока Холла в основном используются для измерения напряжения и тока в целях управления, производители обычно не предоставляют индикаторы угловой разницы, которые имеют решающее значение для измерения мощности. В случаях, когда требуется точное измерение мощности, используйте их с осторожностью.
Национальная станция метрологии приборов измерения мощности с преобразованием частоты провела выборочные проверки некоторых распространенных типов датчиков напряжения и тока Холла. При частоте 50 Гц индекс угловой разницы составляет 20–240 футов по сравнению с 10 футами у электромагнитного трансформатора уровня 0,2. Другими словами, показатель угловой разницы неудовлетворителен, а в случаях с низким коэффициентом мощности он оказывает большое влияние на точность измерения мощности.

Как работают датчики тока на эффекте Холла и их типы

Обзор датчиков тока на эффекте Холла

Датчики тока Холла бывают разомкнутого и замкнутого типа. Большинство высокоточных датчиков тока Холла имеют замкнутый контур. Датчик тока Холла с обратной связью основан на принципе магнитного баланса Холла, то есть принципе замкнутого контура. Когда генерируется первичный ток IP. Магнитный поток концентрируется в магнитной цепи посредством высококачественного магнитопровода, элемент Холла фиксируется в воздушном зазоре для обнаружения магнитного потока, а обратный компенсационный ток выводится через многовитковый катушка намотана на магнитопровод, который служит для компенсации генерации ИП на первичной стороне магнитного потока, благодаря чему магнитный поток в магнитопроводе всегда поддерживается на нулевом уровне. После обработки специальной схемой выходной терминал датчика может выдавать изменение тока, которое точно отражает ток первичной обмотки.

Замена прецизионных датчиков тока на эффекте Холла Hangzhi

Как работают датчики тока на эффекте Холла

Датчики тока на эффекте Холла с разомкнутым контуром

Когда первичный ток IP течет по длинному проводу, вокруг провода создается магнитное поле. Величина этого магнитного поля пропорциональна току, текущему по проводу. Генерируемое магнитное поле собирается в магнитном кольце и проходит через воздушный зазор магнитного кольца. Элемент Холла измеряет и усиливает выходной сигнал, а его выходное напряжение VS точно отражает первичный ток IP. Общий номинальный выход откалиброван до 4 В.

Датчики тока на эффекте Холла с магнитным балансом (замкнутый контур)

Датчик магнитного баланса тока также называется компенсационным датчиком, то есть магнитное поле, создаваемое первичным током Ip на магнитном сборном кольце, компенсируется магнитным полем, создаваемым током вторичной катушки, а ток компенсации точно отражает первичный ток Ip, таким образом, приведите устройство Холла в рабочее состояние обнаружения нулевого магнитного потока.

Конкретный рабочий процесс таков: когда ток проходит через главную цепь, магнитное поле, генерируемое на проводе, собирается магнитным кольцом и индуцируется в устройстве Холла, а сгенерированный выходной сигнал используется для управления силовой лампой и делает ее поведение, тем самым получив компенсацию Current Is. Этот ток проходит через многовитковую обмотку и создает магнитное поле, которое точно противоположно магнитному полю, создаваемому измеряемым током, тем самым компенсируя исходное магнитное поле и постепенно уменьшая выходную мощность устройства Холла. Когда магнитное поле, создаваемое в результате умножения Ip, и количества витков равно, Is больше не будет увеличиваться. В это время прибор Холла играет роль индикации нулевого магнитного потока. В это время Ip может быть проверен Is. При изменении Ip баланс нарушается, и устройство Холла имеет выходной сигнал, то есть описанный выше процесс повторяется для повторного достижения баланса. Любое изменение измеряемого тока нарушит этот баланс. Как только магнитное поле выходит из равновесия, устройство Холла подает сигнал. После усиления мощности через вторичную обмотку немедленно течет соответствующий ток, чтобы компенсировать несбалансированное магнитное поле. От дисбаланса магнитного поля до повторного баланса требуемое время теоретически составляет менее 1 мкс, что представляет собой процесс динамического баланса. Следовательно, с макроэкономической точки зрения, ампер-витки вторичного компенсационного тока равны ампер-виткам первичного измеряемого тока в любой момент времени.

Основное различие между датчиком тока Холла с обратной связью и датчиком тока Холла с разомкнутым контуром.

А. Разница в полосе пропускания
С микроскопической точки зрения магнитное поле в воздушном зазоре всегда меняется вблизи нулевого потока. Поскольку магнитное поле меняется очень мало, частота изменения может быть быстрее. Таким образом, датчик тока Холла с обратной связью имеет малое время отклика. Фактическая полоса пропускания датчика тока Холла с обратной связью обычно может достигать более 100 кГц. Полоса пропускания датчика тока Холла с разомкнутым контуром обычно узкая, например: полоса пропускания обычного датчика тока Холла с разомкнутым контуром составляет около 3 кГц.
Б. Разница в точности
Выход вторичной стороны датчика тока Холла с разомкнутым контуром пропорционален интенсивности магнитной индукции в воздушном зазоре магнитопровода, а магнитопровод изготовлен из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Нелинейность и эффекты гистерезиса присущи всем материалам с высокой магнитной проницаемостью. Следовательно, датчик тока Холла с разомкнутым контуром обычно имеет плохой угол линейности, и выходной сигнал вторичной стороны будет отличаться, когда сигнал первичной стороны возрастает и падает. Точность датчика тока Холла с разомкнутым контуром обычно хуже, чем у 1%. Поскольку датчик тока Холла с замкнутым контуром работает в состоянии нулевого потока, эффект нелинейности и гистерезиса магнитного сердечника не повлияет на выходной сигнал, и можно получить лучшую линейность и более высокую точность. Точность датчика тока Холла с обратной связью обычно может достигать 0,2%.

Основные технические параметры датчика тока на эффекте Холла

Напряжение питания ВА датчика тока Холла

Напряжение питания датчика VA относится к напряжению питания датчика тока, которое должно находиться в пределах диапазона, указанного датчиком. За пределами этого диапазона датчик не может нормально работать или надежность снижается. Кроме того, напряжение питания VA датчика делится на положительное напряжение питания VA+ и отрицательное напряжение питания VA-. Следует отметить, что для датчиков с однофазным питанием напряжение питания VAmin в два раза больше напряжения питания VAmin двухфазного, поэтому диапазон его измерений должен быть выше, чем у датчиков с двойным питанием.

Диапазон измерения Ipmax

Это относится к максимальному значению тока, которое может быть измерено датчиком тока, а диапазон измерения обычно превышает стандартное номинальное значение IPN.

Стандартное номинальное значение IPN и номинальный выходной ток ISN

IPN относится к стандартному номинальному значению, которое может проверять датчик тока, выраженному в эффективном значении (Arms), а размер IPN зависит от модели сенсорного продукта. ISN относится к номинальному выходному току датчика тока, обычно 10–400 мА, конечно, он может варьироваться в зависимости от модели. Если выходной ток проходит через измерительный резистор R, можно получить выходной сигнал напряжения в несколько вольт, пропорциональный первичному току.

Смещение текущего ISO

Ток смещения также называют остаточным током или остаточным током, который в основном вызван нестабильным рабочим состоянием элементов Холла или операционных усилителей в электронных схемах. При изготовлении датчика тока при температуре 25°C и IP=0 ток смещения установлен на минимум, но датчик будет генерировать определенную величину тока смещения, когда покинет производственную линию.

Линейность

Линейность определяет степень, в которой выходной сигнал датчика (ток вторичной стороны I0) пропорционален входному сигналу (ток первичной стороны I) в пределах диапазона измерения.

температурный дрейф

Ток смещения ISO рассчитывается при 25°C. Когда температура окружающей среды вокруг электрода Холла изменится, ISO изменится. Поэтому важно учитывать максимальное изменение тока смещения ISO, где IOT относится к значению температурного дрейфа в таблице характеристик датчика тока.

Перегрузочная способность

Перегрузочная способность датчика тока означает, что при возникновении перегрузки по току первичный ток все равно будет увеличиваться за пределами диапазона измерения, а продолжительность тока перегрузки может быть очень короткой, а значение перегрузки может превышать допустимое значение датчика. . Как правило, его невозможно измерить, но это не приведет к повреждению датчика.

точность

Точность датчиков Холла зависит от стандартного номинального тока IPN. При +25°C точность измерения датчика оказывает определенное влияние на первичный ток, при оценке точности датчика также необходимо учитывать влияние тока смещения, линейность и температурный дрейф.

Применение датчиков тока на эффекте Холла

В последние годы в системах автоматизации используется большое количество мощных транзисторов, выпрямителей и тиристоров, а также широко используются схемы регулирования скорости преобразования частоты переменного тока и широтно-импульсной модуляции, так что схема уже не является просто традиционной 50 Появились синусоидальные волны -цикла и различные типы синусоид. форма волны. Для схем такого типа традиционный метод измерения не может отразить реальную форму сигнала, а компоненты обнаружения тока и напряжения не подходят для измерения и обнаружения сигналов тока средней и высокой частоты и высоких значений di/dt.
Датчики Холла, которые могут измерять ток и напряжение сигналов произвольной формы. Выходная клемма может действительно отражать параметры формы сигнала тока или напряжения входной клеммы. Чтобы устранить общий недостаток большого температурного дрейфа в датчиках Холла, для управления используется компенсационная схема, которая эффективно снижает влияние температуры на точность измерения и обеспечивает точность измерений; он обладает характеристиками высокой точности, удобной установки и низкой цены.
Датчики Холла широко используются в устройствах управления скоростью с преобразованием частоты, инверторных устройствах, источниках бесперебойного питания, источниках питания связи, электросварочных машинах, электровозах, подстанциях, станках с ЧПУ, электролитических покрытиях, микрокомпьютерном мониторинге, мониторинге электросетей и других объектах, которые Необходимо изолировать и обнаружить ток и напряжение.

Датчики тока Холла, особенно датчики тока Холла с замкнутым контуром, широко используются в области промышленных измерений и управления из-за их характеристик широкого диапазона частот, переменного и постоянного тока, а также сложности с магнитным насыщением. Однако датчики тока Холла имеют и некоторые недостатки:
1. По сравнению с электромагнитным трансформатором тока, его вторичный ток невелик, а его антиинтерференционная способность относительно слаба;
2. Подвержен влиянию магнитного поля окружающей среды, снижающему точность измерений;
3. Как правило, индекс угловой разницы не указывается, и при его использовании для измерения мощности невозможно отследить источник системной ошибки.
Обычно рекомендуется использовать датчики тока Холла для целей управления, которые не требуют измерения мощности или не требуют высокой точности; для измерения мощности или учета энергии синусоидальных цепей промышленной частоты рекомендуется использовать электромагнитные трансформаторы тока.

Применение датчиков тока Холла – сравнение с другими чувствительными компонентами

Раньше обычно используемыми компонентами для обнаружения тока были шунты и трансформаторы тока.
Самая большая проблема при использовании шунтов заключается в отсутствии гальванической развязки между входом и выходом. Кроме того, при использовании шунта для обнаружения высокочастотного или большого тока он неизбежно становится индуктивным, поэтому подключение шунта не только влияет на форму измеряемого тока, но также не может по-настоящему передавать несинусоидальные сигналы.
Трансформатор тока имеет высокую точность при указанной рабочей частоте, но диапазон частот, к которому он может адаптироваться, очень узок, особенно он не может передавать постоянный ток. Кроме того, при работе трансформатора тока возникает ток возбуждения, поэтому он является индуктивным элементом и имеет те же недостатки, что и шунт.

Применение датчика тока Холла – вопросы, требующие внимания

Как и обычные датчики тока, обычные датчики тока Холла имеют четыре контакта: положительный (+), отрицательный (-), измерительный терминал (M) и заземление (0), но датчики тока с проводной линией не имеют этих четырех контактов. , но есть три провода: красный, черный, желтый и зеленый, которые соответствуют положительному полюсу, отрицательному полюсу, измерительной клемме и земле соответственно. В то же время в большинстве датчиков имеется внутреннее отверстие, и при измерении первичного тока провод должен проходить через внутреннее отверстие. Размер апертуры неизбежно зависит от модели изделия и величины измеряемого тока.

Независимо от типа датчика тока, разводку контактов следует подключать согласно условиям, указанным в инструкции при монтаже.

1) При измерении переменного тока обязательно использовать двухполярный источник питания. То есть положительный полюс (+) датчика подключается к клемме «+VA» источника питания, а отрицательный полюс подключается к клемме «-VA» источника питания. Такое подключение называется биполярным источником питания. В то же время измерительная клемма (M) подключается к клемме «0 В» источника питания через резистор (тип с одним пальцем и нулевым магнитным потоком).
2) При измерении постоянного тока можно использовать униполярный или однофазный источник питания, то есть положительный или отрицательный полюс закорачивается на клемму «0В», так что подключается только один электрод.

Кроме того, во время установки необходимо полностью учитывать использование, модель, ассортимент и условия установки продукта. Например, датчик следует устанавливать в месте, способствующем отводу тепла.
Помимо установки проводки, мгновенной калибровки и калибровки, а также внимания к рабочей среде датчика, вам также следует обратить внимание на следующие элементы, чтобы обеспечить точность теста:

1) Первичный провод должен располагаться в центре внутреннего отверстия датчика и, насколько это возможно, не должен быть смещен;
2) Заполните внутреннее отверстие датчика максимально полно первичным проводом, не оставляя зазоров;
3) Измеряемый ток должен быть близок к стандартному номинальному значению IPN датчика, а разница не должна быть слишком большой. Если условия ограничены, под рукой имеется только один датчик с высоким номинальным значением, а измеряемое значение тока намного ниже номинального значения. Чтобы повысить точность измерений, первичный провод можно намотать несколько раз, чтобы приблизить его к номинальному значению. Например, когда датчик с номинальным значением 100 А используется для измерения тока 10 А, для повышения точности первичный провод можно намотать десять раз вокруг центра внутреннего отверстия датчика (как правило, NP=1; в одном круге во внутреннем отверстии NP= 2;…;Девять кругов NP=10, тогда NP×10A=100A равно номинальному значению датчика, что может повысить точность).

Будет ли датчик тока Холла испытывать магнитное насыщение?

что такое явление магнитного насыщения?

Ферромагнетик или ферримагнетик находится в состоянии, в котором магнитная поляризация или намагниченность существенно не увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля.
Из-за ограничений физической структуры магнитопроницаемого материала проходящий магнитный поток не может увеличиваться бесконечно. Независимо от того, увеличиваете ли вы ток или количество витков, магнитный поток, проходящий через определенный объем магнитопроницаемого материала, больше не увеличится до определенной величины, и будет достигнуто магнитное насыщение. .
Предположим, есть электромагнит, при подаче единичного тока напряженность создаваемого магнитного поля равна 1, когда ток увеличивается до 2, напряженность магнитного поля увеличивается до 2,3, когда ток равен 5, напряженность магнитного поля равна 7, но ток достигает 6. Когда напряженность магнитного поля все еще равна 7, если ток еще больше увеличивается, напряженность магнитного поля равна 7 и больше не увеличивается. В это время говорят, что электромагнит имеет магнитное насыщение.

Опасности магнитного насыщения

Внутренняя часть датчика тока Холла выполнена из материалов с высокой магнитной проницаемостью. После того, как материалы с высокой магнитной проницаемостью станут магнитно-насыщенными, вторичный ток (или напряжение) датчика больше не будет меняться в соответствии с изменением первичного тока, что приводит к ошибкам измерения или сбоям защиты вторичной цепи. Временное магнитное насыщение может также вызвать чрезмерный нагрев магнитопроводящего материала и повредить изоляцию между первичной и вторичной цепью датчика Холла, создавая угрозу безопасности оборудования и личной безопасности.

Проблема магнитного насыщения датчика тока Холла

Многие производители датчиков тока Холла также пропагандируют отсутствие магнитного насыщения как важное преимущество датчиков тока Холла в своих технических материалах. Отсутствие магнитного насыщения датчика тока Холла является едва ли не одним из основных преимуществ датчика тока Холла, получившего широкое признание с момента его применения.
Это правда?
Фактически, датчик тока Холла содержит нелинейный магнитный сердечник, который уже определяет, что датчик тока Холла будет магнитно-насыщенным при определенных обстоятельствах!

Проблема магнитного насыщения разомкнутого датчика тока Холла

На рисунке ниже представлена схема типичной кривой намагничивания всех материалов с высокой магнитной проницаемостью:

На рисунке Oa’ — начальный нелинейный сегмент, a’a» — линейный сегмент и a»a — область насыщения. Как мы все знаем, для получения лучших результатов измерений, будь то датчик тока Холла с разомкнутым контуром или электромагнитный трансформатор, в качестве рабочего диапазона будет использоваться участок с лучшей линейностью кривой намагничивания. Другими словами, пока магнитная индукция превышает определенный диапазон в линейной области, будет происходить магнитное насыщение.
По сравнению с электромагнитным трансформатором, существует только одна причина магнитного насыщения датчика тока Холла с разомкнутым контуром, то есть первичный ток достаточно велик.
Это не вызывает магнитного насыщения из-за низкой частоты тока, что является преимуществом датчика тока Холла, а также характеристикой магнитного насыщения датчика тока Холла с разомкнутым контуром.
Напротив, электромагнитный трансформатор также имеет преимущество: вторичная нагрузка достаточно мала, даже при большой перегрузке магнитного насыщения не произойдет.

Проблема магнитного насыщения датчика тока Холла с обратной связью

Проблема магнитного насыщения разомкнутого датчика тока Холла относительно проста. Напротив, проблема магнитного насыщения датчика тока Холла с обратной связью кажется непонятной, поскольку магнитный поток в магнитном сердечнике равен нулю, когда датчик тока Холла с обратной связью работает нормально. , при нулевом магнитном потоке он, естественно, не будет насыщен.
Однако это будет возможно только при нормальных условиях работы!
Фактически, даже если проблема магнитного насыщения электромагнитного трансформатора тока или датчика тока Холла с разомкнутым контуром возникает в аномальных рабочих условиях, таких как перегрузка, низкая частота и большая нагрузка, она не возникнет в нормальных рабочих условиях. Магнитное насыщение!
Из принципа работы датчика тока Холла с обратной связью видно, что нулевой магнитный поток устанавливается при предположении, что магнитное поле, создаваемое компенсационной обмоткой вторичной стороны, может компенсировать магнитное поле, создаваемое проводником первичной стороны. Итак, может ли датчик тока Холла с замкнутым контуром поддерживать этот нулевой поток при любых обстоятельствах?

Очевидно нет!
А. Когда на датчик не подается питание, компенсационная обмотка вторичной стороны не генерирует ток. В настоящее время датчик тока Холла с обратной связью эквивалентен датчику тока Холла с разомкнутым контуром. Пока первичный ток достаточно велик, будет происходить магнитное насыщение.
B. Нормальный источник питания, но первичный ток слишком велик. Это связано с тем, что ток, который может генерировать вторичная компенсационная обмотка, в конце концов ограничен. Когда магнитное поле, создаваемое первичным током, превышает максимальное магнитное поле, которое может создать вторичная компенсационная обмотка, магнитный баланс нарушается, и магнитное поле проходит через магнитный сердечник. Когда ток продолжает увеличиваться, магнитное поле в магнитопроводе также увеличивается. Когда первичный ток достаточно велик, датчик тока Холла с замкнутым контуром входит в состояние магнитного насыщения!
По сравнению с электромагнитными трансформаторами тока и датчиками тока Холла с разомкнутым контуром магнитное насыщение в датчиках тока Холла с замкнутым контуром возникает реже, но это не означает, что оно не произойдет. Неправильное использование или длительная перегрузка также могут стать причиной магнитного насыщения.

Компания Ханчжи

Сертификаты качества

Партнеры

Новости Ханчжи

Феррозондовые преобразователи тока

Прецизионные энергетические тестеры, тестеры тока

Феррозондовые преобразователи напряжения

Часто задаваемые вопросы и центр знаний

Тематические исследования

Применение сильноточного датчика в текущих испытаниях фотогальванического инвертора большой мощности

Применение датчика тока в вакуумной лакировальной машине

Применение сильноточного датчика на испытательном стенде ветроэнергетики

Датчик тока Hangzhi AIT Fluxgate применяется в оборудовании для тестирования аккумуляторов

Датчик тока Hangzhi AIT Fluxgate улучшил четкость изображений МРТ

Измеритель постоянного тока Hangzhi PIU улучшил процедуру тестирования зарядного и разрядного испытательного оборудования для литиевых батарей

Загрузки