電壓傳感器

電壓傳感器?

一、前言
伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，
用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗(yàn)”越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天，用電設(shè)備都要遭受120次左右各種的電
源問題的侵?jǐn)_，電子設(shè)備故障的60%來自電源[7]。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角，資金
投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。
而今，小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)
壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實(shí)際需求直接推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自
動(dòng)檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)功能和更高級的智能控制，具有傳感檢測、
傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應(yīng)運(yùn)而生并在我國開始受到廣大電源設(shè)計(jì)
者的青睞，本文主要介紹ABB公司的電流傳感器。

二、電流傳感器的工作原理[1]?
ABB公司的電流傳感器可以測量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據(jù)的工作原理主要是霍
爾效應(yīng)，如圖1所示。
當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時(shí)，原邊電流IP會(huì)產(chǎn)生磁力線①，原邊磁力線集中在磁芯②周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中
的霍爾電極③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路④可把這個(gè)微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊
電流IS⑤，并存在以下關(guān)系式：?

(1)
其中，IS—副邊電流；
IP—原邊電流；
NP—原邊線圈匝數(shù)；
NS—副邊線圈匝數(shù)；
NP/NS—匝數(shù)比，一般取NP=1。
電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果
輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。

三、電流傳感器主要特性參數(shù)[1]?[2]?[3]?[4]?
1、標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN和額定輸出電流ISN
IPN指電流傳感器所能測試的標(biāo)準(zhǔn)額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關(guān)。
ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為100~400mA，某些型號可能會(huì)有所不同。
2、傳感器供電電壓VA
VA指電流傳感器的供電電壓，它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。超過此范圍，傳感器不能正常工作或可靠性降
低，另外，傳感器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負(fù)極供電電壓VA-。
3、測量范圍Ipmax
測量范圍指電流傳感器可測量的最大電流值，測量范圍一般高于標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN。測量范圍可用下式計(jì)算：
(2)
要注意單相供電的傳感器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量范圍要高于雙相供電的傳感
器。?

4、過載
電流傳感器的過載能力參見圖2。發(fā)生電流過載時(shí)，在測量范圍之外，原邊電流仍會(huì)增加，而且過載電流的持續(xù)時(shí)
間可能很短，而過載值有可能超過傳感器的允許值，過載電流值傳感器一般測量不出來，但不會(huì)對傳感器造成損
壞。
5、精度
霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)額定電流IPN。在+25℃時(shí)，傳感器測量精度受原邊電流影響的曲線如圖3所示，
使用下面公式可計(jì)算出精度：
(3)
其中，K=NS/NP。
計(jì)算精度時(shí)必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。
(1).?偏移電流ISO
偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運(yùn)算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳
感器在生產(chǎn)時(shí)，在25℃，IP=0時(shí)的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定大小
的偏移電流。產(chǎn)品技術(shù)文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。
(2).?線性度
參見圖4，線性度決定了傳感器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量范圍內(nèi)成正比的程度，
ABB公司的電流傳感器線性度要優(yōu)于0.1%。
(3).?溫度漂移
偏移電流ISO是在25℃時(shí)計(jì)算出來的，當(dāng)霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時(shí)，ISO會(huì)產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO
的最大變化是很重要的，這可以通過下式計(jì)算：
(4)
其中，CV（Catalogue?value）是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值，例如：對CS2000BR型來說，CV為0.5×10-
4/℃，最大溫度Tmax為-40℃，額定輸出電流為400mA，則偏移電流的最大變化為：
Ma

四、傳感器型號、結(jié)構(gòu)和安裝方法
ABB公司的傳感器產(chǎn)品說明一般由“傳感器產(chǎn)品型號”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成[5]?！皞鞲衅鳟a(chǎn)品型號”用于
標(biāo)明傳感器的型號、額定測量值、標(biāo)準(zhǔn)型或非標(biāo)準(zhǔn)型?！皞鞲衅魃a(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成，表明傳感器的生
產(chǎn)年份、日期（一年中的第幾日）及傳感器序列號。
ABB公司的傳感器產(chǎn)品很多，每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結(jié)構(gòu)及安
裝接線方法。
1、?MP25P1電流傳感器
MP25P1電流傳感器是ABB公司中一種量程很小的傳感器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不
同接法可確定額定測量電流為多少，參見圖5。

2、ES300C電流傳感器
如MP25P1一樣，一般傳感器都有正極（+）、負(fù)極（-）、測量端（M）三個(gè)管腳，但ES300C則沒有此三個(gè)管腳，而
是有紅、黑、綠三根引線，分別對應(yīng)于正極、負(fù)極及測量端。同時(shí)在ES300C型傳感器中有一內(nèi)孔，測量原邊電流
時(shí)要將導(dǎo)線穿過該內(nèi)孔。
不管是MP25P1還是ES300C型等電流傳感器，安裝時(shí)管腳的接線應(yīng)根據(jù)測量情況進(jìn)行相應(yīng)連線。
（1）在測量交流電時(shí)，必須強(qiáng)制使用雙極性供電電源。即傳感器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負(fù)極接電源
的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時(shí)測量端（M）通過電阻接電源“0V”端。
（2）在測量直流電流時(shí)，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負(fù)極與“0V”端短接，從而形成只有一個(gè)電
極相接的情況，其接法共有四種（見圖6和圖7）。
在傳感器產(chǎn)品中，標(biāo)有“-N”標(biāo)志的表示該傳感器沒有電源意外倒置防護(hù)措施；標(biāo)有“-P”標(biāo)志的則表示該傳感
器具有防護(hù)措施。圖6是無保護(hù)二極管時(shí)的單極性供電電源安裝接線方法，圖7是加有保護(hù)措施的傳感器的接
法。?
(3)具有屏蔽作用的傳感器的連接方法
ABB公司的部分電流傳感器具有電磁屏蔽作用，其產(chǎn)品外殼上會(huì)多一個(gè)“E”標(biāo)志的端口，其連接方式有兩種：將
屏蔽端和負(fù)極（-VA）或零線（0V）相連，如圖8所示。
另外，安裝時(shí)必須全面考慮產(chǎn)品的用途、型號、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場
合；如果環(huán)境只適于垂直安裝，則必須選擇帶“V”字標(biāo)志的傳感器（如CS300?BRV）。

五、提高測量精度的方法
除了安裝接線、即時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下述方法還可以提高測量精度：
1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙；
3、需要測量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的
傳感器，而欲測量的電流值又低于額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定
值。例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（一
般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可
提高精度）；
4、當(dāng)欲測量的電流值為IPN/5的時(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。

六、傳感器的抗干擾性
1、電磁場
閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，利用了原邊導(dǎo)線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干
擾。
(1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；
(2)外部導(dǎo)線與傳感器的距離、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置；
(3)安裝傳感器所使用的材料有無磁性；
(4)所使用的電流傳感器是否屏蔽；
為了盡量減小外部電磁場的干擾，最好按安裝指南安裝傳感器。
2、電磁兼容性
電磁兼容性EMC，（Electro?-Magnetic?Compatibility?）是研究電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自
功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作而又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)的一
門學(xué)科[8]。空間電磁環(huán)境的惡化越來越容易使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，因此電工、電子
設(shè)備電磁兼容性檢測極有必要。由于實(shí)際生產(chǎn)、科研及市場推廣的迫切需要，采用已通過電磁兼容性檢測的電流
和電壓傳感器已形成共識(shí)，并已成為一個(gè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。ABB公司的所有電流傳感器自1996年1月1日起，均已通過了
EMC檢測。

七、傳感器標(biāo)定
1、偏移電流ISO
偏移電流必須在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，按圖9方法（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須
滿足：
VM≦RM×ISO?(5)
2、精度
在IP=IPN（AC?or?DC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實(shí)際測量電阻的條件下進(jìn)行測量，其接線如
圖10所示，并用公式(3)計(jì)算精度。
3、保護(hù)性測試
ABB公司的傳感器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受
到保護(hù)。對上述各項(xiàng)測試舉例如下：
（1）測量電路短路
此項(xiàng)測試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實(shí)際應(yīng)用中的電阻條件下進(jìn)行，連接圖如圖11
所示，開關(guān)S應(yīng)在一分鐘之內(nèi)合上和打開。
（2）測量電路開路
此項(xiàng)測試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實(shí)際應(yīng)用中的電阻。測試圖如圖12，開關(guān)S應(yīng)
在一分鐘之內(nèi)完成閉合/打開切換動(dòng)作。
（3）電源意外倒置測試
為防止電源意外倒置而使傳感器損壞，在電路中專門加裝了保護(hù)二極管，此項(xiàng)測試可使用萬用表測試二極管兩
端，測試應(yīng)在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進(jìn)行。可使用以下兩種方法測
試：
第一種：萬用表紅表筆端接傳感器“M”端，萬用表黑表筆端接傳感器“+”端；
第二種：萬用表紅表筆接傳感器負(fù)極，萬用表黑表筆接傳感器M端；
在測試中，如萬用表鳴笛，說明二極管已損壞。?
八、傳感器應(yīng)用計(jì)算[5]
根據(jù)圖13，電流傳感器的主要計(jì)算公式如下：
NPIP=NSIS；?計(jì)算原邊或副邊電流
VM=RMI；?計(jì)算測量電壓
VS=RSIS；?計(jì)算副邊電壓?
VA=e+VS+VM；?計(jì)算供電電壓?
其中，e是二極管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降，不同型號的傳感器有不同的e值。這里我們僅以ES300C為例，這種傳
感器的匝數(shù)比NP/NS=1/2000、標(biāo)準(zhǔn)額定電流值IPN=300A?rms?、供電電壓VA的范圍為±12V~±20V（±5%）、副邊
電阻RS=30Ω?，在雙極性（±VA）供電，其傳感器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護(hù)二極管的情況
下，e=1V。在上述條件下：
（1）給定供電電壓VA，計(jì)算測量電壓VM和測量電阻RM：
假設(shè)：供電電壓VA=±15V
根據(jù)上述公式得：
測量電壓VM=9.5V；
測量電阻RM=VM/IS?=63.33Ω；
副邊電流IS=0.15A。
所以當(dāng)我們選用63.33Ω的測量電阻時(shí)，在傳感器滿額度測量時(shí)，其輸出電流信號為0.15A?，測量電壓為9.5V。
（2）給定供電電壓和測量電阻，計(jì)算欲測量的峰值電流；
假設(shè)：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω，
則：VM+VS=（RM+RS）×IS?=VA-e=14V
而：RM+RS=12W+30W=42W，
則最大輸出副邊電流：?A
原邊峰值電流：IPmax=ISmax(NS/NP)=666A
這說明，在上述條件下，傳感器所能測量的最大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大于此值，傳感器雖
測量不出來，但傳感器不會(huì)被損壞。
（3）測量電阻（負(fù)載電阻）能影響傳感器的測量范圍。
測量電阻對傳感器測量范圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計(jì)算出測量電阻：

其中，VAmin—扣除誤差后的最小供電電壓；
e—傳感器內(nèi)部晶體管的電壓降；
RS—傳感器副邊線圈的電阻；
ISmax—原邊電流IP為最大值時(shí)的副邊電流值。
另外我們可以通過下式確認(rèn)所選傳感器的穩(wěn)定性。

如果VAmin不符合上式，則會(huì)造成傳感器的不穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)這種情況，我們可以有以下三種方法克服：
1）更換電壓更大的供電電源；
2）減小測量電阻的值；
3）將傳感器更換成RS較小的傳感器。
例如，某種型號的電流傳感器，其標(biāo)準(zhǔn)額定電流IPN=1000A，匝數(shù)比NP/NS=1/2000，e值為1.5V，副邊電阻RS=30
Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍），?而：
IS=IP×NP/NS?=0.5A?
VS=RS×IS=15V
VM=RM×IS=7.5V

通過以上檢驗(yàn)，可知這種傳感器在此條件下測量能保證穩(wěn)定性。它所能測量的原邊電流的最大值（即測量范圍）