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大体积霍尔电流传感器电流检测低成本替代方案

来源: ISABELLENHUTTE
2018-04-28
类别:工业控制
eye 303
文章创建人 拍明

  精密电流采样电阻的优点是成本低,缺点是温飘大,这个致命的缺点使精密电阻的使用大大受到限制,而作为世界知名的精密微阻值电阻制造厂商ISABELLENHUTTE(简称ISA),以其独特的ISA-WELD®专利工艺技术,搭配超低电阻率合金材料,生产出具有低温飘特性精密电阻,改善采样电阻温飘大的缺点,是低成本、高性能替代大体积霍尔电流传感器电流检测方案的首选。

  那么,什么是电阻的温漂?

  电阻的温漂即电阻的温度系数,用TCR表示,单位为ppm/℃,而有的规格书中以ppm/K表示,该值越小越好,其中ppm/°C=ppm/K,变化1°C和1K是一样的,只是这两个温标的零点不同而已。热力学温度K=273.15 + °C。

  下面以ISA SMS(2512)精密电阻为例,说明下如何读懂电阻的温飘?请参考如下表1所示,ISA SMS(2512)精密电阻的TCR datasheet中标定为 < 50ppm/K,工作温度在20~60℃之间变化,即温度跨度为40℃,那么,会引起基准电压50*40=2000ppm/℃的温度漂移,从而带来0.2%的误差。

ISA SMS(2512)精密电阻技术参数表.png

  表1:ISA SMS(2512)精密电阻技术参数表

  通过如上表1 ISA SMS(2512)精密电阻技术参数表,可以得到哪些信息呢?

  ISA SMS(2512)精密电阻的阻值范围为0.005Ω~1Ω,误差精度有0.5%、1%、2%、5%四种规格,额定功率3W(@110℃条件下),热内阻(Rthi)为20K/W,可检测200V AC/DC电压,适用温度为-65~+170℃,具有出色的高低温工作特性,这些信息基本包括采样电阻所有的技术参数。

  上面讲到,ISA SMS(2512)精密电阻的温飘特性为TCR < 50ppm/K,也许很多人不是很了解该参数所能代表的技术深层能力,为更直观的了解其温飘特性,下面以ISA SMS(2512)系列的3mΩ、1%精度采样电阻与竞争对手同规格产品电性参数做对比说明,请参考如下表2所示。

ISA SMS(2512) 3mΩ、1%精度精密采样电阻与竞争对手同规格产品电性参数对照表

  表2:ISA SMS(2512) 3mΩ、1%精度精密采样电阻与竞争对手同规格产品电性参数对照表

  通过如上表2,易知:

  ISA相比竞争对手的同规格精密采样电阻,具有更低的温飘特性(50ppm/K),它带来的技术竞争力是可支持更高的功率负载(3W)、更高的温度降额能力(110℃),这样在选择同规格采样电阻时,ISA的采样电阻可实现更低功耗、小体积、高精度等设计优势。

  最后,对ISA SMS(2512)精密采样电阻的核心竞争优势总结如下:

  1、 具有卓越的低温飘特性,温漂一致性小于50 ppm/K。

  2、 可支持更高的额定功率3W(110℃)、5W(70℃)。

  3、 具有更高的降额温度能力,达110℃

  4、 二端子,大焊盘,散热更佳,结合PCB布局达到四端子测量效果,参考如下图3所示。

  5、 符合汽车级,AEC-Q200认证

ISA SMS(2512)精密采样电阻实物图.png

  图3:ISA SMS(2512)精密采样电阻实物图


  霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理,根据霍尔效应原理,从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic,并在霍尔 元件平面的法线方向上施加磁场 强度为B的磁场,那么在垂直于 电流和磁场方向(即霍尔输出端 之间),将产生一个电势VH,称 其为霍尔电势,其大小正比于控 制电流I。与磁场强度B的乘积。 即有式中:K为霍尔系数,由霍尔元件的材料决定;I。为控制电流;B为磁场强度; VH为霍尔电势。

  霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC,当有一磁场B穿过该器件感磁面,则在输出端出现霍尔电势VH。

  霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比,即:VH=KHICBsinΘ

  霍尔电流传感器是按照霍尔效应原理制成,对安培定律加以应用,即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场,而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此,使电流的非接触测量成为可能。

  通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此,电流传感器经过了电-磁-电的绝缘隔离转换。

  由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系,因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小,即:I1∝B1∝U0

  我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时,U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测(无放大)电流传感器。

  原边主回路有一被测电流I1,将产生磁通Φ1,被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态,霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式,突出的优点是响应时间快和测量精度高,特别适用于弱小电流的检测。

  知道:Φ1=Φ2

  I1N1=I2N2

  I2=NI/N2·I1

  当补偿电流I2流过测量电阻RM时,在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即:U0=I2RM

  按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从~系列规格的电流传感器。

  由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈,因而成本增加;其次,工作电流消耗也相应增加;但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。





责任编辑:Davia

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