浅谈闭环霍尔电流传感器的工作原理及在逆变焊机中的应用
时间：2020-06-14 阅读：387
蒋超萍
江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214400
【摘要】本文介绍闭环霍尔电流传感器的工作原理及在逆变焊机中的应用，实现了对逆变焊机输出电流的隔离测量、控制，解决了逆变焊机输出电流的限流保护问题。
关键词：霍尔电流传感器 逆变焊机 闭环 霍尔效应
1 问题的提出
逆变焊机（以下简称为焊机）的输出电流的检测与控制，直接决定了焊机工作的稳定性 和可靠性。由于焊机的使用条件不同而导致负载变化较大，随之焊机的输出功率也将发生较大变化，若对焊机的输出电流不加限制，会造成焊机因过载而发热，影响其功率输出，更严重情况下会导致焊机失效。
闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在逆变焊机中的应用，实现了对焊机输出电流的隔离测量，即霍尔电流传感器的输出信号与焊机的输出电流电气隔离，有利于霍尔电流传感器输出信号调整处理，通过调整、设定该信号并反馈控制焊机的输出电流，当焊机的输出电流接近设计功率输出时，输出电流将不再增加，从而限制了焊机的输出功率, 保护焊机不会因负载等外部因素的变化而损坏。
2 闭环霍尔电流传感器的工作原理
1879年，美国物理学家EdwinHerhert Hal发现霍尔效应以来，霍尔技术越来越多的应用于工业控制的各个领域。进入20世纪80年代，随着元器件工艺技术的发展，霍尔器件的性能大大提高，由霍尔器件应用开发的霍尔电流传感器的性能也有很大提高，特别是闭环霍尔电流传感器的研制成功，大大扩展了该项技术的应用领域。
2.1 霍尔效应及霍尔器件
霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时（见图 l），半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压UH，这个电压UH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有如下等式关系：
UH =（RH /d）×B×IC
式中 :UH为霍尔电压；B为磁感应强度；IC为控制电流；RH为霍尔系数；d为半导体厚度。
上式中，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的lian系。根据这一关系式，人们研制了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件。
图1 霍尔效应原理
2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理
闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品,它的工作原理是霍尔磁平衡式的(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。*，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比, 这磁场可以通过软磁材料来聚集,然后用霍尔器件进行检测,由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系,因此可利用霍尔器件的测得的输出信号,直接反应出导线中的电流大小。
3 闭环霍尔电流传感器的主要性能
闭环霍尔电流传感器是近10年来出现的高技术模块化产品，与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
（1）可以同时测量任意波形电流，如: 直流、交流、脉冲电流 ；
（2）二次(侧)测量电流与一次(侧)被测电流之间*电气隔离，绝缘电压一般为2-12kV ；
（3）电流测量范围宽，可测量额定100A～2kA的电流 ；
（4）线性度:优于 0.1% IN ；
（5）响应时间:小于5us ；
（6）频率响应:0-100k Hz 。
4 闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用
4.1 闭环霍尔电流传感器的应用
闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功的应用于各种电源、逆变焊机、发电及输变电设备、电气传动、数控机床、jun用装备等工业及jun用产品上。下面以额定电流为300A的CHB-300S型闭环霍尔电流传感器 (见下图）为例，说明这种传感器的应用。
CHB-300S型闭环电流霍尔传感器实物照片
CHB-300S型闭环霍尔电流传感器的额定电流为300A，输出电流为150mA，下表给出了CHB-300S型传感器的主要性能参数:
CHB-300S型霍尔传感器的主要性能参数
4.2 应用效果
某型逆变焊机中设计选用了CHB-300S型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作用是隔离检测焊机的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保焊机的输出功率不高于逆变焊机的额定功率。闭环霍尔电流传感器CHB-300S的应用，很好地实现了上述应用目的。
CHB-300S传感器的应用
5.安科瑞霍尔传感器介绍
5.1产品概述
AHBC-LTA系列电流传感器的初、次级之间是绝缘的，可用于测量直流、交流和脉冲电流。
5.2. 技术参数及外形尺寸
额定输入有效值电流 | 100 | 200 | 300 | A |
测量电流范围 | 300（±18V，20Ω） | 600（±18V，30Ω） | 900（±18V，20Ω） | A |
匝 比 | 1:1000 | 1:2000 | 1:3000 |
|
测量电阻 ±12V | @±100Amax 80(max) | @±200Amax 80(max) | @±300Amax 76(max) | Ω |
| @±200Amax 25(max) | @±500Amax 20(max) | @±600Amax 22 (max) | Ω |
±15V | @±100Amax 110(max) | @±200Amax 120(max) | @±300Amax 100(max) | Ω |
| @±200Amax 40(max) | @±500Amax 30(max) | @±600Amax 36(max) | Ω |
额定输出有效值电流Is | 50±0.5% | 100±0.5% | 100±0.5% | mA |
精度 | 0.5 | 级 | ||
电源电压 | ±15 | V | ||
功耗电流 | 20+Is | mA | ||
零电流失调 | ±0.2 | mA | ||
响应时间 | ＜1 | µs | ||
线性度 | ≤0.05 | %FS | ||
绝缘电压 | 3.5kV/50Hz/1min | kV | ||
频宽 | 100 | kHz | ||
次级线圈电阻 | 26 | 26 | 56 | Ω |
工作温度 | -40～85 | ℃ | ||
储存温度 | -40～85 | ℃ | ||
6 结语
经过以上测试 ,该传感器的性能能够满足逆变焊机对电流检测的需要，该设计已在多套逆变焊机中应用，并按相关标准进行了试验测试，测试结果受到客户的信任及肯定。
【参考文献】
[1] 王文生 李泽勇《闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用》
[2] 安科瑞电量传感器选型手册[Z]. 2020.4.