电流传感器

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电流传感器简介

电流传感器可进行测量。 一旦设计人员掌握了测量方法,就可以用来监测、控制和保护系统。 电流传感器在电机速度控制、过载保护、故障检测、电池充电器、电源和可编程电流源中越来越常见。 本文将介绍常见的电流传感器类型及其优势。 在 Danisense,我们通常将我们的产品称为电流传感器或电流传感器

6 Danisense Current Sensors in a test setup

什么是电流传感器?

电流传感器是一种测量流经导体的电流大小的装置。 实施范围包括非隔离直接测量技术和磁场传感技术。

当前的传感器架构

并联电阻器 电流传感器

这种简单的电流传感器采用直接传感技术。 利用欧姆定律(V=IR),分流器的值是已知的,用放大器测量分流器两端的电压,就能确定电流。 这对交流和直流电流都有效,但属于非隔离解决方案。

分流电阻式电流传感器不适合高压或大功率应用,因为分流电阻会产生热量和功率。 分流电阻器应具有高容限、低温度系数和低电阻,以提高精度并减少损耗。 在实际应用中,为了减少损耗,通常会并联多个电阻器,从而导致元件数量较多。 并联电阻式电流传感器需要更多的电路板空间,但却是低矮型解决方案。

霍尔效应电流传感器

霍尔效应表明,当携带电流的导体(如金属板)进入磁场时,会产生与电流流向垂直的电压。 在没有磁场的情况下,电流将沿直线流动,但在施加磁场后,电流路径将向一侧移动,从而产生电压差。 电压与电流成正比,因此可以计算出来。

霍尔效应电流传感器使用霍尔元件。 当霍尔元件通电并置于垂直于表面的磁场中时,它会产生与磁场强度成正比的电压。

安培定则指出,当电流在导体中流动时,就会产生磁场。 电流传感器有一个磁芯,用于将电流产生的磁场集中到一个气隙中。 霍尔元件被置于气隙中,由此产生的输出电压与原始电流成正比。 霍尔效应电流传感器具有精度高、体积小、响应速度快、插入损耗低、成本低的特点,并可与交流和直流电一起使用。

开环与闭环电流传感器

开环电流传感器的主要问题是线性度和温度偏移漂移,闭环配置可以解决这两个问题。

在闭环电流传感器中,第二个霍尔效应电流传感器会将电流反馈到方向相反的第二个磁线圈中。 这可以补偿非线性和温度漂移,提供更快的响应,并相对不受电气噪声的影响。

开环和闭环霍尔效应电流传感器都有一个气隙,对外部磁场很敏感,因此不适用于存在大电磁场的应用场合,如核磁共振成像或大功率电源

马根托电阻器

磁敏电阻器是一种电阻随磁场成比例变化的元件。 将磁敏电阻置于气隙中时,初级电流会产生磁场,从而改变材料的电阻,产生电流测量值。 这种方法的偏移温度较低,通常比霍尔效应电流传感器更精确,但空气间隙意味着它对电磁兼容性仍然敏感。

磁通门电流传感器

磁通门是一种具有高磁导率磁芯的设备,其电流会很快达到饱和。 用方波驱动磁通门时,电流曲线会变成一系列正负饱和和去饱和循环。 将磁通门放入磁场集中的磁芯气隙中,会导致这些周期的零交叉点发生偏移。 通过信号处理,可将位移转化为电流测量值。 磁通门电流传感器具有良好的偏移和漂移特性。 有几种不同的设计可以提高性能。

闭环

与霍尔效应电流传感器类似,可以创建一个闭环结构。 输出的电流被重新注入一个次级元件,从而产生一个方向相反的磁场。 采用这种方法,磁通门所经历的磁场始终为零,从而消除了偏移和线性问题。

单芯和双芯

单芯电流传感器使用一个不带气隙的线圈作为磁通门元件。 通过消除气隙,该设计避免了对电磁场的敏感性,从而将有用的应用范围扩大到电源和核磁共振成像。 它的分辨率很高,但由于饱和发生得很快,带宽仅限于几赫兹。 双芯电流传感器通过增加一个绕组芯来增加带宽,但价格也随之增加。

平衡核心

平衡磁芯电流传感器使用两个相对放置的匹配磁通门元件。 这使得设计不受温度和电磁兼容性等外部因素的影响,因为它在两个元件之间具有固有的补偿功能。 这种方法即使在具有挑战性的环境中也能达到很高的精度。

磁通门电流传感器比霍尔效应电流传感器更昂贵,磁芯也需要一定高度,这可能会成为设计上的一个限制因素,但在所讨论的设计中,磁通门电流传感器的精度最高。 后三种设计的优点是没有气隙,因此适用于高电磁场情况。

仅交流电流传感器

罗戈夫斯基线圈

罗戈夫斯基线圈是在非磁性铁芯上绕制的单层线圈,通常称为空气铁芯。 线圈绕在需要测量电流的导线上。 随着交流电极性的变化,产生的磁场也会随之扩大或缩小。 不断变化的磁场会在罗戈夫斯基线圈的绕组中产生感应电流,该电流与初级电流成正比,经过处理后产生一个测量值。

空气磁芯的一大优势是没有磁饱和,即使在大电流情况下也能产生非常线性的输出。 罗戈夫斯基线圈主要用于大电流和高频谐波信号,因为它的带宽可达兆赫。 芯线还具有柔韧性,可轻松缠绕在测试电缆上,因此适用于难以安装的售后市场或带电导线。

电流互感器传感器

电流互感器传感器是一个罗戈夫斯基线圈,其磁芯可将磁通量集中在线圈内部。 这就在线圈电流和初级电流之间建立了直接关系。 它们不需要电源,功耗极低,因此可用于更高的信号电平。 由于体积小、成本低,它们大多用于大功率系统。

选择电流传感器时的注意事项

每种电流传感器拓扑结构都有自己的优势。 设计师需要考虑应用中存在的限制,以及哪些方面是最关键的。

  • 交流和直流,或仅交流
  • 高电压、高电流或高功率
  • 电路板空间、高度、元件数量、成本
  • 响应时间、精度、带宽、速度
  • 噪音或电磁场等环境因素

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