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ホール効果電流センサーとは何ですか?

ホール効果電流センサーとは何ですか?

ホール効果電流センサー ホール効果現象を利用して導体に流れる電流を測定する電子デバイスです。ホール効果は、導体が電流の流れの方向に垂直な磁場にさらされると、ホール電圧として知られる電圧差が導体の両端に生成されるという物理原理です。ホール効果電流センサーは、この現象を利用して、直接の電気接触を必要とせずに、導体を流れる電流の大きさを正確に測定します。

ホール効果とは何ですか?

ホール効果はいつ発見されましたか?また、その仕組みは何ですか?

ホール効果は、1879 年にアメリカの物理学者ホールによって発見されました。磁界中の導体に電流が流れると、電流の方向と磁界の方向に垂直な電位差が導体に発生します。そして、電位差の大きさは磁気誘導の垂直成分と電流の大きさに比例します。半導体では、ホール効果がさらに顕著になります。

hall effect explained

ホール効果は本質的に、ローレンツ力によって引き起こされる磁場内で移動する荷電粒子の偏向です。荷電粒子 (電子または正孔) が固体材料内に閉じ込められている場合、この偏向によって電流と磁場に垂直な方向に正および負の電荷が蓄積され、それによって追加の横電場、つまりホールが形成されます。電場EH。
電流 IS は N 型または P 型ホール素子を通過し、磁界 B の方向は電流 IS の方向と直交し、磁界の方向は内側から外側になります。 N型半導体、P型半導体の場合、発生する方向は左右のホールのようになります。電界 EH (これにより、ホール素子の特性が N 型か P 型であるかを判断できます)。

ホール電位差 EH は、キャリアが横にシフトし続けるのを防ぎます。キャリアが受ける横電界力 FE とローレンツ力 FB が等しい場合、ホール素子の両側の電荷の蓄積は動的平衡に達します。
なぜなら:
FE=eEH、FB=evB、
したがって:
eEH=eVB (1)
サンプルの幅を b、厚さを d、キャリア濃度を n とすると、次のようになります。
IS=nevbd (2)
式 (1) と (2) から次のことが得られます。
ホール電位差 UH=EHb=(1/ne)(ISB/d)=RH(ISB/d)
RH=1/ne は材料のホール係数で、材料のホール効果の強さを反映する重要なパラメータです。
固定ホール素子の場合、厚さ d は固定されており、KH はホール素子のホール係数であり、次のように取得できます。
UH=KHISB (3)
つまり、ホール電位差 UH は電流 IS と磁気誘導 B に比例します。

ホール効果の応用

ホール効果を利用して、スイッチセンサーやリニアセンサーを作ることができます。スイッチ型ホール センサは位置、変位、速度の測定に広く使用され、リニア ホール センサは磁場、電流、電圧の測定に広く使用されています。
近年、非電源周波数、非正弦波特性の可変周波数電力を測定したいという需要が高まっています。電磁トランスは周波数の適用範囲が狭いため、それに比べてホール電圧・電流センサは適用周波数帯域が広く、直流測定にも使用できるため、市場の展望は広いです。
ただし、ホール センサーは磁場に対して敏感であるため、複雑な電磁環境で可変周波数電力を正確に測定するには、アプリケーションに特別な注意を払う必要があります。さらに、ホール電圧およびホール電流センサーは主に制御目的の電圧および電流測定に使用されるため、メーカーは通常、電力測定に重要な角度差インジケーターを提供していません。正確な電力測定が必要な場合には、注意して使用してください。
National Frequency Conversion Power Measuring Instrument Metrology Station は、いくつかの一般的なタイプのホール電圧および電流センサーのスポット チェックを実施しました。 50Hzでは、0.2レベルの電磁トランスの10'と比較して、角度差指数は20'〜240'の間です。つまり、角度差指数が悪く、力率が低い場合には、電力測定の精度に大きな影響を与えます。

ホール効果電流センサーの仕組みと種類

ホール効果電流センサーの概要

ホール電流センサーには、開ループ タイプと閉ループ タイプがあります。高精度ホール電流センサーのほとんどは閉ループです。閉ループ ホール電流センサーは磁気平衡ホール原理、つまり閉ループ原理に基づいています。一次電流IPが発生すると、高品質磁気コアを介して磁気回路に磁束が集中し、エアギャップに固定されたホール素子が磁束を検出し、多巻きコイルを通して逆補償電流が出力されます。磁性コアに巻かれたコイルで、一次側のIP発生磁束を相殺し、磁気回路内の磁束を常にゼロに保ちます。センサーの出力端子は特別な回路で処理され、一次側の電流を正確に反映した電流変化を出力することができます。

ホール効果電流センサーの仕組み

オープンループホール効果電流センサー

一次電流 IP が長いワイヤに流れると、ワイヤの周囲に磁界が発生します。この磁界の大きさは、ワイヤを流れる電流に比例します。発生した磁場は磁気リングに集まり、磁気リングのエアギャップを通過します。ホール素子は出力を測定および増幅し、その出力電圧 VS は一次電流 IP を正確に反映します。一般的な定格出力は 4V に校正されています。

オープンループホール電流センサーの原理

磁気バランス (閉ループ) ホール効果電流センサー

一次電流 IP が長いワイヤに流れると、ワイヤの周囲に磁界が発生します。この磁界の大きさは、ワイヤを流れる電流に比例します。発生した磁場は磁気リングに集まり、磁気リングのエアギャップを通過します。ホール素子は出力を測定および増幅し、その出力電圧 VS は一次電流 IP を正確に反映します。一般的な定格出力は 4V に校正されています。

閉ループホール電流センサー_磁気バランスホール電流センサーの原理

The magnetic balance current sensor is also called a compensation sensor, that is, the magnetic field generated by the primary current Ip at the magnetic gathering ring is compensated by the magnetic field generated by a secondary coil current, and the compensation current Is accurately reflects the primary current Ip, thus Make the Hall device in the working state of detecting zero magnetic flux.

具体的な動作プロセスは、主回路に電流が流れると、ワイヤ上に発生した磁界が磁気リングによって集められ、ホール素子に誘導され、発生した信号出力を使用してパワー管を駆動し、を導通させ、それによって補償電流Isを得る。この電流は多巻き巻線を通過して磁界を生成します。この磁界は、測定された電流によって生成される磁界とは正反対であり、元の磁界が補償され、ホール素子の出力が徐々に減少します。 Ipを掛けて発生する磁界と巻き数が等しくなると、Isは増加しなくなります。このときホール素子は磁束ゼロを示す役割を果たします。現時点では、Ip は Is によってテストできます。 Ipが変化するとバランスが崩れ、ホール素子は信号を出力します。つまり、再びバランスをとるために上記のプロセスが繰り返されます。測定された電流が変化すると、このバランスが崩れます。磁場のバランスが崩れると、ホール デバイスから信号が出力されます。電力が増幅された後、不均衡な磁界を補償するために、対応する電流が直ちに二次巻線を流れます。磁場不均衡から再び平衡状態に戻るまでの所要時間は理論上 1μs 未満であり、これは動的平衡プロセスです。したがって、マクロの観点から見ると、二次補償電流のアンペアターンは、いつでも一次測定電流のアンペアターンと等しくなります。

閉ループ ホール電流センサーと開ループ ホール電流センサーの主な違い

A. 帯域幅の違い
微視的に言えば、エアギャップの磁場は常に磁束ゼロ付近で変化します。磁場はほとんど変化しないため、周波数の変化はより速くなります。したがって、閉ループ ホール電流センサーの応答時間は高速です。実際の閉ループ ホール電流センサーの帯域幅は、通常 100kHz 以上に達することがあります。オープン ループ ホール電流センサーの帯域幅は通常狭いです。たとえば、一般的なオープン ループ ホール電流センサーの帯域幅は約 3kHz です。
B. 精度の違い
オープンループホール電流センサーの二次側の出力は、磁気コアの空隙における磁気誘導の強さに比例し、磁気コアは高透磁率材料でできています。非線形効果とヒステリシス効果は、すべての高透磁率材料に固有の特性です。したがって、オープンループホール電流センサーは一般に直線性角度が悪く、1次側信号の立ち上がり時と立ち下がり時で2次側出力が異なります。開ループ ホール電流センサーの精度は、通常 1% よりも劣ります。閉ループホール電流センサーは磁束ゼロ状態で動作するため、磁気コアの非直線性やヒステリシス効果が出力に影響せず、より優れた直線性と高精度が得られます。閉ループ ホール電流センサーの精度は、通常 0.2% に達します。

ホール効果電流センサーの主な技術パラメータ

ホール電流センサーの電源電圧VA

センサ電源電圧 VA は電流センサの電源電圧を指し、センサによって指定された範囲内にある必要があります。この範囲を超えると、センサーが正常に動作しなくなったり、信頼性が低下したりします。また、センサの電源電圧VAは、正電源電圧VA+と負電源電圧VA-に分かれています。なお、単相電源のセンサの場合、電源電圧 VAmin は二相電源電圧 VAmin の 2 倍となるため、二電源センサよりも測定範囲が広くなります。

測定範囲 Ipmax

電流センサが測定できる最大の電流値を指し、一般に測定範囲は標準定格値IPNよりも高くなります。

標準定格値IPNと定格出力電流ISN

IPN は、電流センサーが試験できる標準定格値を実効値 (Arms) で表したもので、IPN のサイズはセンサー製品のモデルに関係します。 ISN は電流センサーの定格出力電流を指し、一般的には 10 ~ 400mA ですが、もちろん一部のモデルによって異なります。出力電流が測定抵抗 R を通過すると、一次電流に比例した数ボルトの電圧出力信号が得られます。

オフセット電流 ISO

オフセット電流は残留電流または残留電流とも呼ばれ、主に電子回路内のホール素子やオペアンプの不安定な動作状態によって発生します。電流センサの製造時、25°C、IP=0 でオフセット電流は最小に調整されていますが、センサが生産ラインから出荷されるときに一定量のオフセット電流が発生します。

直線性

直線性は、測定範囲内でセンサーの出力信号 (2 次側電流 I0) が入力信号 (1 次側電流 I) にどの程度比例するかを決定します。

温度ドリフト

オフセット電流 ISO は 25°C で計算されます。ホール電極周囲の温度が変化すると、ISO が変化します。したがって、オフセット電流 ISO の最大変化を考慮することが重要です。IOT は、電流センサーの性能表の温度ドリフト値を指します。

過負荷容量

電流センサーの過負荷容量は、電流過負荷が発生した場合でも一次電流が測定範囲外で増加し、過負荷電流の継続時間が非常に短くなり、過負荷値がセンサーの許容値を超える可能性があることを意味します。 。通常は測定できませんが、センサーにダメージを与えることはありません。

正確さ

ホール効果センサーの精度は、標準電流定格 IPN によって異なります。 +25°C では、センサーの測定精度は一次電流に一定の影響を及ぼし、センサーの精度を評価する際には、オフセット電流、直線性、温度ドリフトの影響も考慮する必要があります。

ホール効果電流センサーのアプリケーション

近年、自動化システムでは多数の高出力トランジスタ、整流器、サイリスタが使用され、AC 周波数変換速度調整回路やパルス幅変調回路が広く使用されているため、回路はもはや従来の 50 個の回路だけではありません。 -サイクル正弦波、さまざまな種類の正弦波が登場しています。波形。この種の回路の場合、従来の測定方法は実際の波形を反映できず、電流および電圧検出コンポーネントは中高周波および高 di/dt 電流波形の検知および検出には適していません。
任意波形の電流および電圧を測定できるホール効果センサーです。出力端子は、入力端子の電流または電圧の波形パラメータを正確に反映できます。ホール効果センサーに共通する大きな温度ドリフトという欠点を克服し、制御に補償回路を使用します。これにより、測定精度に対する温度の影響が効果的に低減され、正確な測定が保証されます。高精度、便利な設置、低価格という特徴があります。
ホール効果センサは、周波数変換速度制御装置、インバータ装置、アップス電源、通信電源、電気溶接機、電気機関車、変電所、CNC工作機械、電解めっき、マイコン監視、電力網監視、その他の設備で広く使用されています。電流と電圧を絶縁して検出する必要があります。

ホール電流センサー、特に閉ループホール電流センサーは、ACおよびDCの広い周波数帯域と磁気飽和しにくい特性により、産業用計測および制御の分野で広く使用されています。ただし、ホール電流センサーにはいくつかの欠点もあります。
1. 電磁変流器と比較して、二次電流が小さく、干渉防止能力が比較的弱い。
2. 環境磁場の影響を受けやすく、測定精度が低下します。
3. 通常、角度差指数は提供されないため、電力測定に使用した場合、システム誤差の原因を追跡できません。
一般に、ホール電流センサーは、電力測定を伴わない、または高精度を必要としない制御目的に使用することをお勧めします。電力周波数正弦波回路の電力測定またはエネルギー測定には、電磁変流器をお勧めします。

ホール電流センサーのアプリケーション - 他のセンシング部品との比較

以前は、電流を検出するために一般的に使用されていたコンポーネントはシャントと変流器でした。
シャントを使用する場合の最大の問題は、入力と出力の間にガルバニック絶縁が存在しないことです。また、シャントを使用して高周波または大電流を検出する場合、必然的に誘導性が発生するため、シャントの接続は測定電流波形に影響を与えるだけでなく、非正弦波波形を真に伝送することはできません。
変流器は指定された動作周波数の下で高い精度を持っていますが、適応できる周波数範囲は非常に狭く、特に DC を伝送することができません。また、変流器は動作時に励磁電流が流れるため誘導性要素であり、シャントと同様のデメリットがあります。

ホール電流センサーの応用 - 注意事項

一般的なホール電流センサは従来の電流センサと同様に、プラス(+)、マイナス(-)、測定端子(M)、グランド(0)の4つのピンを持っていますが、ワイヤライン電流センサにはこの4つのピンがありません。 , しかし、赤、黒、黄、緑の3本のリード線があり、それぞれプラス極、マイナス極、測定端子、アースに対応します。同時に、ほとんどのセンサーには内穴があり、一次電流を測定するときはワイヤーが内穴を通過する必要があります。開口部のサイズは、製品モデルおよび測定電流の大きさと必然的に関係します。

電流センサの種類に関わらず、取り付けの際はマニュアルに記載されている条件に従ってピンの配線を接続してください。

1) 交流電流を測定する場合は、必ずバイポーラ電源を使用してください。つまり、センサーの正極(+)は電源の「+VA」端子に接続され、負極は電源の「-VA」端子に接続されます。この接続はバイポーラ電源と呼ばれます。同時に測定端子(M)を抵抗を介して電源の「0V」端子に接続します(シングルフィンガー磁束ゼロタイプ)。
2) 直流電流を測定する場合は、単極または単相電源を使用できます。つまり、正極または負極を「0V」端子に短絡して、電極を 1 つだけ接続します。

また、設置の際には製品の用途、機種、範囲、設置環境を十分に考慮する必要があります。たとえば、センサーは放熱しやすい場所に設置する必要があります。
テスト精度を確保するには、配線の設置、即時校正と校正、センサーの動作環境に注意を払うことに加えて、次の項目にも注意を払う必要があります。

1) 一次線はセンサーの内穴の中心に配置し、できるだけ偏らないようにしてください。
2) センサーの内穴を隙間を残さずに可能な限り完全に一次ワイヤで満たします。
3) 測定する電流はセンサの標準定格値 IPN に近く、その差が大きすぎないこと。条件が限定されている場合、定格値の高いセンサーが手元に 1 台しかなく、測定すべき電流値が定格値よりも大幅に低い場合があります。測定精度を向上させるために、一次線を複数回巻いて定格値に近づけることができます。例えば、定格100Aのセンサーで10Aの電流を測定する場合、精度を高めるためにセンサーの内穴の中心に一次線を10回巻き付けることができます(一般的には、 NP=1; 内穴の 1 つの円では NP= 2;…; 9 つの円では NP=10、したがって NP×10A=100A はセンサーの定格値に等しく、これにより精度が向上します)。

ホール電流センサーは磁気飽和を起こしますか?

磁気飽和現象とは何ですか?

強磁性体またはフェリ磁性体は、磁場の強さが増加しても磁気分極または磁化があまり増加しない状態にあります。
透磁性材料の物理的構造の制限により、通過する磁束は無限に増加することはできません。電流を増やしても巻数を増やしても、一定の体積の透磁性材料を通過する磁束は一定量まで増えなくなり、磁気飽和に達してしまいます。 。
電磁石があるとすると、単位電流を流すと発生する磁界の強さは1、電流が2に増えると磁界の強さは2.3、電流が5のときは磁界の強さは7、しかし、電流は 6 に達します。 磁界の強さは 7 のままです。電流をさらに増加すると、磁界の強さは 7 になり、それ以上増加しません。このとき、電磁石は磁気飽和を起こすと言われています。

磁気飽和の危険性

ホール電流センサーの内部には高透磁率材料が含まれています。高透磁率材料が磁気飽和すると、センサーの一次電流の変化に応じてセンサーの二次電流(または電圧)が変化しなくなり、測定誤差や二次回路の保護不良が発生します。また、一時的な磁気飽和により、磁性導電材料が過度に加熱され、ホール電流センサーの一次回路と二次回路間の絶縁が損傷し、機器や人の安全が危険にさらされる可能性があります。

ホール電流センサーの磁気飽和の問題

多くのホール電流センサー メーカーも、ホール電流センサーの重要な利点として磁気飽和がないことを技術資料で宣伝しています。ホール電流センサーの磁気飽和がないことは、ホール電流センサーの主な利点の 1 つであり、その応用以来広く認識されています。
これは真実ですか?
実際、ホール電流センサーには非線形磁気コアが含まれており、特定の状況下ではホール電流センサーが磁気的に飽和することがすでに決定されています。

開ループホール電流センサーの磁気飽和の問題

以下の図は、すべての高透磁率材料の典型的な磁化曲線の概略図です。

ホール電流センサーコアの磁化曲線

図中、Oa'は初期非線形セグメント、a'a”は線形セグメント、a”aは飽和領域です。ご存知のとおり、オープンループホール電流センサーであれ、電磁トランスであれ、より良い測定結果を得るには、磁化曲線の直線性がより良い部分が動作範囲として使用されます。つまり、磁気誘導が線形領域内で一定の範囲を超えると磁気飽和が発生します。
電磁トランスと比較して、オープンループ ホール電流センサーが磁気飽和する理由は 1 つだけです。それは、一次電流が十分に大きいことです。
電流周波数が低いため磁気飽和が起こりません。これはホール電流センサーの利点であり、オープンループホール電流センサーの磁気飽和特性でもあります。
一方、電磁トランスには二次負荷が小さいため、過負荷がかかっても磁気飽和が起こらないという利点もあります。

閉ループホール電流センサーの磁気飽和の問題

開ループ ホール電流センサーの磁気飽和の問題は比較的単純です。対照的に、閉ループ ホール電流センサーが正常に動作している場合、磁気コア内の磁束はゼロであるため、閉ループ ホール電流センサーの磁気飽和の問題は理解できないように思えます。 、磁束ゼロの下では、当然飽和しません。
ただし、これは通常の作業条件下でのみ可能です。
実際、電磁変流器や開ループホール電流センサーの磁気飽和の問題は、過負荷、低周波、重負荷などの異常な使用条件下で発生しても、通常の使用条件では発生しません。磁気飽和!
クローズドループホール電流センサの動作原理から、二次側補償巻線が発生する磁界が一次側導体が発生する磁界を相殺できることを前提として磁束ゼロが成立することがわかります。それでは、閉ループ ホール電流センサーは、いかなる状況下でもこのゼロ磁束を維持できるのでしょうか?

明らかに違います!
A. センサーに電力が供給されていない場合、二次側補償巻線は電流を生成しません。このとき、閉ループのホール電流センサーは開ループのホール電流センサーと同等になります。一次電流が十分に大きい限り、磁気飽和が発生します。
B. 電源は正常ですが、一次電流が大きすぎます。結局のところ、二次補償巻線が生成できる電流には限界があるためです。一次電流によって生成される磁場が二次補償巻線が生成できる最大磁場よりも大きい場合、磁気バランスが崩れ、磁場が磁気コアを通過します。電流が増加し続けると、磁気コア内の磁界も増加します。一次電流が十分に大きい場合、閉ループ ホール電流センサーは磁気飽和状態に入ります。
閉ループホール電流センサは、電磁変流器や開ループホール電流センサに比べて磁気飽和が起こりにくいですが、起こらないわけではありません。不適切な使用や長期間の過負荷も磁気飽和を引き起こす可能性があります。

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