1、- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-霍爾電流傳感器電源消耗電流計(jì)算方案霍爾電流傳感器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和無插入損耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變頻器、逆變器、電源、電焊機(jī)、變電站、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)的大電流、電壓等各個(gè)領(lǐng)域中。 霍爾傳感器需用到直流電源供電才可正常工作， 在做產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算其電流消耗，并利用 LTspice軟件進(jìn)行仿真，所推導(dǎo)的理論計(jì)算公式可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考?；魻栯娏鱾鞲衅鞴ぷ髟韽墓ぷ髟砩?， 霍爾電流傳

2、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?；魻栭_環(huán)電流傳感器圖 1 霍爾開環(huán)電壓傳感器的工作原理霍爾傳感器的磁芯使用軟磁材料，原邊電流產(chǎn)生磁場(chǎng)通過磁芯聚磁，在磁芯切開一個(gè)均勻的切口， 磁芯氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度與原邊電流成正比， 霍爾元件兩端感應(yīng)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(guān)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(guān)。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(chǔ)上增加了反饋線圈， 霍爾元件兩端感應(yīng)到的霍爾電

3、流經(jīng)過放大后控制后端的三極管電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流， 補(bǔ)償電路流過纏繞在磁芯上的線圈，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反， 當(dāng)磁芯氣隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度補(bǔ)償為 0 時(shí)，傳感器的輸出滿足 IS=IP/KN,其中 KN為補(bǔ)償線圈的匝數(shù)。- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-圖 2 霍爾閉環(huán)電壓傳感器的工作原理傳感器的功耗計(jì)算開環(huán)電流傳感器的功耗計(jì)算對(duì)于開環(huán)電流傳感器，因?yàn)槠漭敵鲂盘?hào)為電壓，所以其功耗相對(duì)較為穩(wěn)定。通?；魻栯娏鱾鞲衅鞯碾娏髟O(shè)計(jì)為采用正負(fù)電源供電， 其額定輸出電壓一般為幾伏，一般不超

4、過 10 伏。輸出端對(duì)負(fù)載的要求一般為大于 10K，所以流過負(fù)載的電流一般小于 1 個(gè) 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(biāo)的都是不超過 15mA。閉環(huán)電流傳感器的功耗計(jì)算閉環(huán)傳感器輸出信號(hào)為電流，其功耗相對(duì)于開環(huán)傳感器多很多，下面以LF205-S為例來分析閉環(huán)電流傳感器的電流消耗。圖 3 為 LF 205-S的原理示意圖 4 為 LF205-S原理圖-

5、 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-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(dòng)電路，傳感器可以測(cè)量準(zhǔn)確的前提是首先要給霍爾元件提供一個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)流過霍爾元件的電流控制在 10mA 以內(nèi)。其次是補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路， 對(duì)于輸出電流較小的傳感器， 補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路可只由運(yùn)放組成。 而對(duì)于需要輸出較大電流的傳感器， 補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路通常由運(yùn)放和一對(duì)串聯(lián)

6、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(gè)mA。補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路，在前面補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)作用下，三極管輸出補(bǔ)償電流。三極管補(bǔ)償電流即是傳感器的輸出電流， 其大小取決于原邊被測(cè)電流。在靜態(tài)即無被測(cè)電流的情況下， 無補(bǔ)償電流輸出。 所以對(duì)于閉環(huán)電流傳感器， 其靜態(tài)電流主要是霍爾驅(qū)動(dòng)電流和補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路電流兩部分的總和。 因?yàn)榇藭r(shí)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(dòng)態(tài)情況下，即在測(cè)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

7、被測(cè)電流的大小和方向。如果被測(cè)電流為直流， 假設(shè)其方向和傳感器的正方向一致。 此時(shí)補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生，也就是說此時(shí)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 5 閉環(huán)電流傳感器測(cè)量直流電流時(shí)消耗電流流向如果被測(cè)電流為交流， 則上半部分和下半部分的三極管輪流導(dǎo)通來產(chǎn)生補(bǔ)償電流。假設(shè)被測(cè)電流為正弦波， 其電流的有效值為 IP，則輸出電流同樣也為正弦交流，其有效值為 IS=IP/KN。因?yàn)槿龢O管輪流導(dǎo)通，所以補(bǔ)償電流是輪流從 +VC和 -VC輸出的，當(dāng)被測(cè)電流方向?yàn)檎春蛡鞲衅鞯恼较蛞恢聲r(shí)補(bǔ)償電流完全

8、由上半部的三極管產(chǎn)生；當(dāng)被測(cè)流方向?yàn)樨?fù)，即和傳感器的負(fù)方向一致時(shí)補(bǔ)償電流完全由下半部的三極管產(chǎn)生。 此時(shí)消耗電流的波形為一直流疊加了半個(gè)周期的正弦波，整個(gè)電流的波形峰值為Icpeak=Ic0(+VC)+ 2 IS則此時(shí)的電流有效值為 ICrms(+VC)=/ 2 222) (020 S CI IsI VCcI ? + + 平+均值為 Cave(+VC)=IC0+ / 2SI同理 -VC端消耗電流的有效值和平均值與+VC端的相同。- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-圖 6 閉環(huán)電流傳

9、感器測(cè)量交流電流時(shí)消耗電流流向傳感器電流消耗的 LTspice仿真使用 LTspice對(duì)傳感器的電流消耗進(jìn)行仿真，按照?qǐng)D 4 的電路分別對(duì)靜態(tài)、測(cè)量直流和測(cè)量交流電流的情況進(jìn)行仿真。 從圖 7 中可以看出，靜態(tài)時(shí) +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(fù)電源的消耗不完全相等，主要是因?yàn)榱泓c(diǎn)的存在，此時(shí)傳感器的零點(diǎn)為 0.06mA。其中流過霍爾元件的電流為 8.83mA，補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)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(gè) +VC消耗電流的 91.8%圖 7 閉環(huán)電流傳感器IP=0時(shí)的輸出電流及消耗

10、電流當(dāng)施加 200ADC原邊電流后，傳感器的輸出為 100.06mA，此時(shí) +VC端的消耗電流為 116.21mA，-VC 端的消耗電流為 16.15mA圖 8 閉環(huán)電流傳感器測(cè)量 200ADC時(shí)的輸出電流及消耗電流當(dāng)在原邊施加有效值 200Arms 的正弦交流電后，傳感器的輸出為正弦交流，因?yàn)樯舷氯龢O管輪流導(dǎo)通，補(bǔ)償電流按照半個(gè)周期的間隔分別疊加到+VC和-VC- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-的消耗電流上。此時(shí)傳感器輸出電流的有效值為 100.00mA。+VC端的消耗電流波形

11、如圖所示，根據(jù)仿真的結(jié)果， VC的消耗電流有效值為 81.99mA，平均電流為 60.96mA，-VC端消耗電流的有效值為 81.72mA，平均值為 60.90mA。而根據(jù)前面的公式，在不考慮零點(diǎn)的情況下計(jì)算出的 +VC理論消耗電流為 81.33mA，平均值為 60.34mA， -VC端的消耗電流為 81.29mA，平均值為 60.28mA，與仿真結(jié)果一致。圖 9? 環(huán)電流傳感器測(cè)量 200A?AC時(shí)的輸出電流及消耗電流對(duì)于電源消耗功率的計(jì)算，因?yàn)閭鞲衅鞑捎弥绷麟娫垂╇?，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(dǎo)，使用開環(huán)電流傳感器時(shí) +VC和 -VC消耗電流

12、基本相等。可按照說明書上給出的 IC值來選擇電源功率。而使用閉環(huán)電流傳感器時(shí)，因?yàn)?+VC和-VC 消耗電流的大小取決于被測(cè)電流方向和幅值。測(cè)量直流時(shí)如果方向不變，則 +VC和-VC 消耗電流會(huì)相差較大，具體可按照上面的推導(dǎo)方法來分別計(jì)算 +VC和-VC 平均消耗的功率。測(cè)量交流時(shí)，消耗電流的波形為一直流疊加了半個(gè)周期的正弦波， 精確的計(jì)算可按照上面推導(dǎo)的公式來計(jì)算。因上面的推導(dǎo)公式需要較多計(jì)算，簡(jiǎn)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(chǔ)上， 分析了霍爾電流傳感器的電流消耗組成，并推導(dǎo)了傳感器 +VC和-VC在靜態(tài)及在測(cè)試直流和交流電流時(shí)的消耗電流，并利用

13、LTspice軟件進(jìn)行了仿真模擬， 仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)的結(jié)果一致。主要結(jié)論有：對(duì)于霍爾開環(huán)電流傳感器，因?yàn)槠漭敵鲂盘?hào)為電壓，所以其功耗相對(duì)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(dòng)電流上。對(duì)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(dòng)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(dòng)電路，在10mA左右；另外一部分為補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)電路，約為 5mA 左右。當(dāng)施加原邊電流進(jìn)行測(cè)試時(shí)， I0(+VC)和 I0(-VC)的大小- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有- 各類專業(yè)好文檔，值得你下載，教育，管理，論文，制度，方案手冊(cè)，應(yīng)有盡有-取決于被測(cè)電流的大小和方向：在被測(cè)電流為直流，消耗電流的大小取決于被測(cè)電流的方向和幅值。若其方向和傳感器的正方向一致。 此時(shí)補(bǔ)償電流完全由上半部的三極管產(chǎn)生， 也就是說此時(shí)輸出電流完全由 +VC提供，此時(shí) +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(dāng)被測(cè)電流方向與傳感器的負(fù)方向一致時(shí)， IS 疊加到 -VC上，其大小與 IC(-VC)= IC0 (-VC)+ IS在被測(cè)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(dǎo)通來產(chǎn)生補(bǔ)償電流， 所以補(bǔ)償電流是輪流從 +VC和-V