电流传感器的种类和特性,目前,在包括工业机械在内的许多应用中,电流传感器的使用越来越多。对于工业机械,电流检测通常需要绝缘,解决方法有三种:分流电阻+隔离放大器/隔离ADC、有芯电流传感器和无芯电流传感器(电流传感器IC)。
在本页中,我们想解释每种方法的概述及其优点/缺点。
1. 现行测量方法
电流测量方法通常分为三类:分流电阻+隔离放大器/隔离ADC、有芯电流传感器和无芯电流传感器(电流传感器IC)。
下表显示了每种方法的特点。本页后面将详细介绍每种方法的优点和缺点。
桌子
图 1. 表格
* 1:如果使用水泥电阻,则改为“NA”。
* 2:不仅二次侧,一次侧也会因IC驱动而消耗电流。
* 3:如果电流超过20A,则由于基板和散热风扇的成本,将改为“Good”。
选择合适的电流测量方法的要点
・分流电阻+隔离放大器/隔离ADC适合于想要准确检测微电流水平(小于10A)且干扰磁场较大、且发热不是问题的客户。
·磁通门适用于需要最高精度的应用。
・一般的无芯电流传感器适合于要求小型设备中尺寸小的用途,以及要求比检测精度更低的成本的用途。
・AKM 无芯电流传感器的性能可与任何其他无芯电流传感器以及有芯电流传感器(开环和闭环)相媲美。
2.分流电阻+隔离放大器/隔离ADC
分流电阻+隔离放大器/隔离ADC是将要测量的电流通过,根据流过已知电阻的电压值计算出电流值的方法。这种方法需要使用隔离放大器或隔离ADC进行隔离。
这种方法很常用,适合在相对低电压驱动的系统中检测小电流,而不必担心发热。
然而,在有大电流(几十安培以上)流过的应用中,以下缺点就会显现出来。
优点
这是最为人熟知的电流检测方式,各公司都积累了其技术。
缺点
由于一次侧(高压侧)需要较多的元器件(例如绝缘电源、双极电源等),因此需要花费设计工时。
热设计很困难,因为一次电流产生的热量与电阻成正比,并且与其他方法相比可能大几十倍。
由于外围元器件较多、配线复杂,导致基板尺寸较大。
电流产生磁场示意图
图2.电流产生磁场示意图
磁电流传感器是解决上述分流电阻+隔离放大器/隔离ADC缺点的一种方法。
3.磁电流传感器
磁电流传感器的原理是,待测电流在电流路径周围产生磁场,通过使用磁传感器检测产生的磁场,可以测量电流量。
磁电流传感器与分流方法不同,它不需要使用隔离放大器或隔离 ADC,因为它可以在传感器本身内部进行隔离。
由于不需要根据电流值改变电阻值,因此该方法很有吸引力,因为它可以通过检测流过电阻器的电流来解决分流电阻器+隔离放大器/隔离 ADC 的缺点,电阻器具有相对较低的电阻值。
3.1. 芯式电流传感器
芯式电流传感器是磁电流传感器的一种。它使用磁芯收集和检测电流线周围的磁场。
芯式电流传感器有 3 种类型:1. 开环,2. 闭环,3. 磁通门。
这 3 个类别的比较;
价格: 低 开环 < 闭环 < 磁通门 高
精度: 差 开环 < 闭环 < 磁通门 好
共同优势
一次导体的电阻值较小,因而发热量较低。
所需零件数量更少(无需使用其他外围零件。)
常见缺点
由于核心的原因,空间上存在困难(特别是它的高度)。
磁芯理论上存在磁滞现象。当磁芯上施加较大的磁场时,这会导致零电流输出(失调电压)的变化,并最终导致测量误差。
芯式电流传感器示意图
图3. 芯式电流传感器示意图
磁通门法由磁芯和探测线圈组成。探测线圈由高频交流电驱动,用作传感器。
因此,它具有无论温度如何,原则上几乎不发生偏移的优点。
但是,由于有探测线圈,因此结构复杂且价格昂贵。此外,还有一个缺点,即由于反馈电流,电流消耗会增加。
为了解决上述问题,人们开发了一种“无芯电流传感器”。
3-2. 无磁芯电流传感器(无磁芯的电流传感器)
无芯电流传感器是一种非常简单的结构。磁传感器检测由流过初级导体的测量电流产生的磁场,IC 校正并放大来自磁传感器的信号。
它被开发为一种可以解决上述有芯电流传感器的缺点并保留其优点的传感器。自 2010 年代初以来,无芯电流传感器已在许多强调小尺寸的应用中使用。
3-2-1. 通用无芯电流传感器
一般无芯电流传感器为实现小型化、低成本化,采用半导体硅将内部霍尔元件+校正IC一体构成。
由于硅霍尔元件灵敏度低,因此需要采取措施提高校正IC的增益或通过缩小一次导体来增大发生磁场。
结果,出现了以下优点和缺点。
优点
无需磁芯,可降低高度,内部结构更简单,从而降低成本。
沒有滞后現象。
电流消耗低。
缺点
电阻值和发热量可能会较大,测量大电流比较困难。
由于霍尔元件的灵敏度较低,为了得到足够的分辨率,需要将频带设计得较窄,因此响应速度不是很快。
由于增加校正IC的增益也会放大霍尔元件的偏移,因此很难实现高精度。
无芯电流传感器示意图
图 4. 无芯电流传感器示意图
3-2-2. AKM 无芯电流传感器
AKM无芯电流传感器拥有独创的技术,可以解决一般无芯电流传感器的上述缺点。
优点
由于一次导体电阻低,因此发热量低。并且支持±5至±180A的宽测量电流范围。
传感器采用高灵敏度化合物半导体霍尔元件,无需缩小带宽即可获得高分辨率。
因此,可以加宽带宽并实现高分辨率。
由于霍尔元件的高灵敏度,因此不需要提高校正IC的增益,能够实现低失调和高精度。
缺点
与一般的无芯电流传感器相比,Currentier并不便宜。