技術(shù)淺談之電流傳感器

電流傳感器是一種電流檢測(cè)裝置，可以檢測(cè)被測(cè)電流的信息，按比例換算成符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)，以滿足信息的傳遞、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

分流器

即高精度電阻，作為常見的電流檢測(cè)元件，具有精度高，線性度好以及溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，常用于小電流直流應(yīng)用，對(duì)于交流應(yīng)用需要與線性光耦搭配使用。分流器由于直接串聯(lián)于電路當(dāng)中，具有插入損耗與發(fā)熱問題，因此大電流應(yīng)用常采用非插入型產(chǎn)品方案。

電流互感器

利用原副邊匝比不同來進(jìn)行電流信號(hào)檢測(cè)，只能作為交流信號(hào)的檢測(cè)，具有成本低，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾電流傳感器

霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖磁力作用引起的偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的積聚，從而形成橫向電場(chǎng)，將該電場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)放大處理即轉(zhuǎn)換為滿足標(biāo)準(zhǔn)的輸出所需信號(hào)。因此利用霍爾效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電流檢測(cè)，具有無插入損耗、隔離式、檢測(cè)精度高、結(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

開環(huán)電流傳感器：將原邊電流產(chǎn)生的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過放大器輸出，有貼片式產(chǎn)品作為小電流檢測(cè)，也有模塊式作為大電流檢測(cè)。

閉環(huán)電流傳感器：在磁芯上饒副邊線圈，在原邊有電流流過時(shí)，副邊線路電流產(chǎn)生的補(bǔ)償磁通與原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通總量為零?；魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補(bǔ)償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小，原副邊電流大小為線圈匝比關(guān)系。

閉環(huán)電流傳感器具有精度高、線性度好、磁失調(diào)小、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成本相對(duì)較高，功率損耗大。

磁通門電流傳感器

與霍爾電流傳感器類似，都是通過檢測(cè)氣隙中磁通大小來檢測(cè)電流信號(hào)，只是氣隙中感應(yīng)元件變?yōu)榇磐ㄩT探頭。

如下為幾種常用電流傳感器對(duì)比

磁阻電流傳感器

磁阻技術(shù)的發(fā)展，使得電流傳感器感應(yīng)元件得到了進(jìn)一步擴(kuò)充，其中各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)以及隧道磁阻(TMR)技術(shù)的發(fā)展使得電流傳感器實(shí)現(xiàn)更高精度、更好溫度穩(wěn)定性以及更高帶寬，目前成品主要為貼片式電流檢測(cè)產(chǎn)品。

物質(zhì)在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象，稱為“磁阻效應(yīng)”，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象，通常情況下，物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中僅產(chǎn)生輕微的減?。辉谀撤N條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，稱為“巨磁阻效應(yīng)”（GMR）。

隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場(chǎng)很高，磁場(chǎng)靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。磁隧道結(jié)（MTJ s）中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個(gè)很小的外磁場(chǎng)即可將其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向反向，從而實(shí)現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場(chǎng)靈敏度。同時(shí)，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)，都具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

精度計(jì)算

電流傳感器最核心的參數(shù)即電流檢測(cè)精度，電流精度主要考慮線性度、零點(diǎn)以及零點(diǎn)溫漂，閉環(huán)產(chǎn)品增加一個(gè)增益誤差。

開環(huán)產(chǎn)品精度計(jì)算：

XG = εL + εVoe + εTCVoe    

閉環(huán)產(chǎn)品精度計(jì)算：

XG = εL + εG + εIoe + εTCIoe

通常規(guī)格書給出的為額定電流下所對(duì)應(yīng)的精度，所有誤差的算法，其中分母為當(dāng)前測(cè)試電流所對(duì)應(yīng)的值，因此以線性誤差為例，額定電流100A的電流傳感器，其線性誤差為1%，在實(shí)際電流10A時(shí)，其線性誤差達(dá)到了10%（1%*100/10），同理零點(diǎn)誤差與零點(diǎn)漂移誤差也隨之增大。

電流傳感器的小電流精度才是真正考驗(yàn)傳感器的地方，因此為了滿足不同電流的精度需求，目前市面上有雙量程輸出的電流傳感器，以及霍爾電流傳感器與分流器組合方式，其中霍爾負(fù)責(zé)大電流，分流器負(fù)責(zé)小電流。磁阻技術(shù)的引入也增加了高精度需求的可選項(xiàng)。