电子电路中电流信号的采集（二）

在上一节我们分别分析了分流器采集电流信号的应用和罗氏线圈采集电流信号的应用，接下来我们继续分析电流测量的另外几种方法。

霍尔效应传感器检测电流

霍尔效应利用的是当一个载流导体被置于一个磁场中时，会产生一个与电流和磁场都垂直的电压。该原理被称为霍尔效应，利用霍尔效应的传感器种类非常多，有用于电机精密位置控制的位置传感器，也有用于电压检测的电压传感器，和用于电流检测的电流传感器等。

图1用于电流检测的霍尔电流传感器

图2所示为霍尔效应的基本原理。图中有一个电流流经的薄半导体材料板（霍尔元件）。输出线路与电流方向相垂直。没有磁场存在时（图2），电流分布是均匀的，并且在输出端没有任何电势差。当施加一个垂直磁场时（如图3所示），电流会受到一个洛伦兹力。该会扰乱电流分布，并导致输出端之间产生电势差（电压）。该电压就是霍尔电压(VH)。磁场和电流之间的相互作用可由公式

表示。霍尔效应传感器可以应用于许多类型的传感设备中。如果待检测的物理量（参数）包括或能够包括一个磁场，就可以使用霍尔传感器来完成检测任务。

图2霍尔效应原理（没有磁场）图3霍尔效应原理（有磁场）

霍尔电压与电流(I)和磁场(B)的矢量积成正比。霍尔电压在硅中约为7mv/Vs/gauss量级，因此在实际应用中需要对其进行放大。在霍尔电流传感器中也正是利用的这种电流与磁场的比例关系实现的电流精确测量。霍尔效应元件的优点是能测量大电流，而且功率耗散小。然而，这种方法也有不少缺点，限制其使用，例如要对非线性的温度漂移进行补偿;带宽有限;对小量程的电流进行测量时，要求使用大偏置电压，这会引起误差、易受外部磁场的影响、对ESD敏感、成本高。

图4霍尔效应传感器的典型应用电路

如上图4电流传感器利用的是磁补偿式的工作原理，即主回路电流IN在聚磁环所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿电流IM。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当IN与匝数相乘所产生的磁场与IM与匝数相乘所产生的磁场相等时，IN不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。此时可以通过IN来测试IM，当如变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡所需的时间不到1ms。这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即：NP·IN＋NS·IM＝0。其中，NP为原边匝数，IN为原边电流，IM为次级补偿电流。NP、NS可从使用手册中查到，测得IS的大小即可得知被测电流的大小。

电流互感器

电流互感器本质上也是利用的电磁感应原理来检测电流的。在电流互感器(CT)中，初级AC电流可在磁心内产生一个磁场。该磁场能感应次级绕组里成比例的电流。需要一个负载电阻器来将电流转换为电压信号以供在ADC中作进一步的处理。CT的准确度取决于设置的机械公差、负载准确度和磁心的温度漂移。磁心的饱和度可限制CT的动态范围。另一方面，专门的设计允许您为某个用例量身打造CT。在电网中，CT被广泛用于检测电流。

图5理想电流互感器原理图

电流互感器上图5有三个突出优点：与线电压隔离，无损测量电流，大信号电压能很好地抵御噪声。这种间接测量电流的方法要求用到变化的电流，例如交流电，瞬变电流或开关式直流电，来产生一个磁耦合到次级绕组里的变化磁场。次级测量电压可以根据在初级和次级绕组间的匝数比实现缩放。这种测量方法被认为是“无损的”，因为电路电流通过铜绕组时的电阻损耗非常小。但是，如图6所示，由于负载电阻、芯损，以及初级和次级直流电阻的存在，互感器的损耗会导致失去一小部分能量。

图6电流互感器损耗的组成

在电流互感器的应用中要注意以下两点：

1．电流互感器初级应串联于被测电流回路中，次级应近似工作于短路状态；

2．电流互感器次级电路不允许开路，所以请不要装熔断器。

以上分别介绍了霍尔效应电流检测传感器和电流互感器检测电流的应用，需要说明的是两者实现检测电流的原理都是电磁感应原理，霍尔电流检测传感器可以检测直流、交流、脉动直流，电流互感器只能用于交流电流的检测，不能用于直流电流检测。

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