電流傳感器技術詳解

在任何過程中，電量的測量對于監控、分析和控制系統都是必不可少的。要執行這些類型的測量，必須使用電流傳感器。除非可以測量，否則無法管理物理量。讓我們深入了解電流傳感器的行為。

電流傳感器

電流傳感器是將電流信號轉換為另一個可分析信號的設備。要測量的信號稱為“初級電流”，而輸出信號稱為“次級電流或電壓”。最后一個信號是用于電子板、ADC 和其他模擬儀表的信號。由于存在不同的測量技術，并且初級電流可能因波形、脈沖類型、隔離和電流強度而異，因此市場提供了多種電流傳感器。如圖 1 所示，最常見的電流傳感器分為兩類：

根據“分流器”的工作原理，第一類應用歐姆定律 ( V = R × I )。

第二類使用安培定律（I = ∮ H × ds）并使用磁場來測量電流。

圖 1：不同的電流測量方法

歐姆定律適用于分流測量，公式為V = R × I。在實踐中，分流器是具有已知歐姆值的穩健電阻器。當電流通過分流器時，產生的電壓與該電流成正比。利用這個原理，對于不太高的電流，我們可以準確地獲得交流和直流電流。另一方面，當電流上升并超過 100 A 時，會產生過多的熱量，測量系統可能會變得無效和關鍵。

霍爾效應電流傳感器可用于克服這些限制。為霍爾探頭供電會施加垂直于表面的磁場并產生與磁場強度成比例的電壓。然后可以使用安培定律計算流過導體的電流量。霍爾電流傳感器使用磁芯將磁場集中在探頭所在的氣隙中。輸出電壓與磁場成正比，而磁場又與初級電流成正比。電流傳感器的性能取決于開環霍爾探頭的性能。為了提高線性度和減少溫度偏移的漂移，實現了閉路原理，

另一種電流傳感器以磁電阻器為代表，其中電阻器的值與磁場成比例變化。這些電流傳感器通常比霍爾效應更準確，但由于氣隙而存在靈敏度限制。然而，設備必須確保高效和準確的測量，具有非常高的檢測質量、極其平坦的頻率響應和出色的直流穩定性。所有這些特性都可以在 Danisense 的電流傳感器中找到，該公司提供定制的解決方案以滿足客戶的確切需求。

電流測量方法

可以使用 LT6106 集成電路執行電流測量，這是一款用于電流檢測的多功能放大器（參見圖 2中的應用圖）。其特點備受推崇：

最大電壓偏移：250 μV

最大輸入偏置電流：40 nA

只需兩個電阻即可設置設備的增益

準確度：1%

最大輸出電流：1毫安

PSRR：106分貝

其主要應用是汽車和工業、電池監控、能源管理、發動機控制、燈監控以及過流和故障檢測。該設備通過檢測外部電阻器（分流電阻器）兩端的電壓來測量電流。內部電路將此電壓轉換為輸出電流。LT6106 的極低電源電流也使其適用于電池應用。

圖 2：采用 LT6106 器件的負載電流表示例

一旦您了解了其工作原理，您就可以使用歐姆定律和功率方程輕松配置設計以滿足您的所有需求。在示例接線圖配置中，電源為 30 V，并以大約 1.57 A 的電流為 19-Ω 負載供電。0.01-Ω 分流電阻器不影響系統的運行，其功耗約為 25 mW . 配置配置電阻器以使放大器的增益為單位。在這種情況下，輸出電壓（絕對值）等于流過負載的電流。綜合效率非常高，肯定超過99.8%。顯然，這種解決方案不能用于非常高的電流。

使用電流傳感器代替分流器

使用電流傳感器代替分流器具有很大的優勢。分流器，其實并不是一個理想的元件，但是從前面的接線圖中可以看出，它有一個電感元件（串聯）和一個電容元件（并聯）。因此，不僅需要在直流中進行電流測量，還需要在交流中進行電流測量，因此需要使用更有效的方法，以便在不同的頻率和電流范圍內做出更好的估計，從而獲得更高的結果準確性。

電流傳感器具有將初級電路與次級電路電隔離的優點。這消除了共模電壓紋波的干擾，并大大降低了初級電流上的噪聲。與分流器相比，電流傳感器的輸出信號更高，噪聲更低。低得多的插入阻抗降低了功耗，無疑提高了系統的短期和長期穩定性。

一個簡單的例子闡明了這個想法：用于在 1,500 A 下提供 50 mV 的分流電阻器的功耗為 75 W。實際上，它的阻抗為 0.000033 Ω。為了實現高測量穩定性和可重復性，分流器需要非常低的溫度系數。如果系統在低電流或高電流下使用，則以伏特/安培為單位的靈敏度會有所不同。例如，DL2000UB-10V 電流傳感器的有效插入阻抗小于 0.5 μΩ，初級電路中的有效功耗在 1,500 A 時小于 1 W，比之前的分流器小 100 倍。即使初級電流非常低，信噪比也非常高。圖3中的表格，顯示了 DS、DM、DL 和 DQ 系列的 Danisense 電流傳感器的摘錄。這些傳感器是超穩定和高精度的，并且基于閉環工作原理，可隨著時間的推移提供出色的線性度和穩定性。

圖 3：DS、DM、DL 和 DQ 系列換能器型號

從廣義上講，換能器組合的某些型號可分為以下幾類：

0 A 至 600 A 的傳感器

DP50IP-B (72A)

DC200IF (300A)

DS400ID (600 A)

DS50UB-1V (150 A)

600 A 至 3,000 A 的傳感器

DM1200ID (1,800 A)

DL2000ID (3,000 A)

DL2000ID-CB100 (3,000 A)

DL2000UB-10V (2,200 A)

大于 3,000 A 的傳感器

DR5000IM (8,000 A)

DR10000IM (11,000 A)

DR5000UX-10 V/7,500 A (8,000 A)

其中一些提供電流輸出，而另一些提供電壓。許多有趣的模型之一是 DM1200UB-1V（圖 4)，一種超穩定和高精度的傳感器，用于測量高達 1,800 A 的非侵入式和隔離式直流和交流電。其開口直徑為 45 毫米，該寬度允許大型絕緣電纜和高精度測量泄漏電流的可能性。憑借 15 ppm 的線性度和 10 ppm 的偏移，其閉環技術可實現非常精確的測量。機身完全由鋁制成，以改善 EMI 屏蔽和廣泛的工作溫度。它的應用范圍從功率測量和分析到穩定電源的構建，從粒子加速器到精密驅動器，從電池測試和評估系統到電力系統校準。以下是該設備的一些電氣特性：

額定初級交流電流：最大。1,200 武器

標稱初級直流電流：最大。1,200 安

測量范圍：從 –1,800 A 到 1,800 A

標稱電壓輸出：–1 V 至 1 V

一次/二次比：0.8333 V/kA

線性誤差：從 –15 ppm 到 15 ppm

帶寬 (3 dB)：400 kHz

幅度誤差（10 Hz 至 3 kHz）：0.01

幅度誤差（3 kHz 至 50 kHz）：1

幅度誤差（50 kHz 至 300 kHz）：20

電源電壓：±14.25 V 至 ±15.75 V

正電流消耗：140 mA

負電流消耗：130 mA

工作溫度范圍：–40?C 至 65?C

圖 4：DM1200UB-1V 傳感器

結論

今天，所有工業系統都有電流傳感器，在某些情況下，它們是不可替代的。它們的主要優點是它們可以被工業控制系統使用和輕松解釋，并且與電路和負載完全隔離。事實上，將測量系統直接連接到相關電路并不總是很方便。它們的足跡是非侵入性的，它們通常具有方形或矩形形狀，可能類似于小型揚聲器。但是，它們的功能非常重要。換能器操作背后的工程相當復雜，但其操作和輸出數據的分析卻極其簡單，這是最重要的方面。