电流电压信号检测方法优化

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：霍尔传感器是比较理想的快速电流、电压信号检测传感器，它的核心器件是霍尔器件。将被检测的电压信号与LEM霍尔电压传感器的一次线圈及检测电阻RI相连接，构成回路，将检测的电压转换为霍尔电压传感器一次线圈的电流，该电流

电流、电压检测信号除了用于反馈控制获得电源所需的外特性外，还用于电源动特性以及波形的控制，也可以用于过电压、过电流保护控制。因此，电源输出电流、电压的信号检测与信号处理是电子控制弧焊电源中的重要环节。

1.取样电阻法

采用电阻检测电流、电压信号是最简单的方法，常用的有串联电阻检测电流、并联电阻检测电压。

（1）串联电阻检测电流在弧焊电源的主回路直接串联取样电阻进行电流信号检测的方法简单，可靠，不失真，速度快；但是有损耗，而且主电路与控制电路没有电气隔离。该方法一般只适用于小电流并不需要隔离的情况。

目前在直流弧焊电源中，经常利用输出回路中电流分流器作为取样电阻，提取电流信号。这种方法虽很简便，但由于电流分流器的电阻很小，所以获得的电压信号很小，易受干扰，因此，需要进行信号滤波、放大处理。该方法同样是主电路与控制电路没有进行电气隔离。

图4-20所示为采用电流分流器检测电流信号并进行信号处理的电路原理图。如图4_-20所示，采用分流器检测到的电流信号通过电容C滤波，送入运放N构成的放大电路对信号进行放大，得到所需的电流信号nI_f。有时需要对检测到的电流信号进行两级放大处理。

（2）并联电阻检测电压该方法是直接在弧焊电源输出两端并联电阻组，采用电阻分压的方法进行电源输出电压的检测。图4-21所示为检测原理图。

图4-20 采用电流分流器检测电流信号并进行信号处理

图4-21 采用分压电阻检测电源电压

如图4-21所示，在弧焊电源的输出端，并联电阻R₃和可变电阻（电位器）RP。经过R₃和RP的分压，从RP中取出电压采样信号，经电容C滤波，送入运放N构成的放大电路对信号进行处理，得到所需要的电压信号mU_f。

2.霍尔传感器检测法

采用霍尔传感器进行弧焊电源电流、电压信号检测的方法在电子控制弧焊电源中的应用越来越广泛。霍尔传感器是比较理想的快速电流、电压信号检测传感器，它的核心器件是霍尔器件。

霍尔器件是一种半导体器件，图4-22所示是半导体器件的霍尔效应示意图。

图4-22 霍尔效应示意图

霍尔器件本体是厚度为d的半导体基片。如果在垂直于基片的方向就施加一个磁场，其磁感应强度为B，当沿基片纵向通过引线1和2引入电流I_C时，那么根据电磁感应原理，在基片的另外两边（引线3和4）之间就会感应出霍尔电压U_H，这就是霍尔效应。其霍尔电压U_H为

式中 K_H——霍尔系数，K_H=1/（ne）；

S_H——器件乘积灵敏度，S_H=1/（ned）。

当半导体的材料和尺寸确定后，K_H或S_H保持常数，这样霍尔电压U_H与IB的乘积成正比。根据这一特性，在恒定的磁场B之下，可以测量电流I。

当电流I的方向是由1到2时，霍尔电压U_H的极性是4为正，3为负。如果电流I或磁场B反向，则U_H也反向。

在弧焊电源中可以采用霍尔电流传感器、霍尔电压传感器进行输出电流、电压的检测。

（1）霍尔电流传感器霍尔电流传感器可以分为两类：一类是直测式霍尔电流传感器；另一类是磁场平衡式霍尔传感器模块，称作LEM传感器。

1）直测式霍尔电流传感器的工作原理如图4-23所示。被测线路的导线穿过或绕在聚磁环上，被测电流I_d将产生磁场B。当与被测电流I_d成正比变化的磁场B通过铁心作用于通电的霍尔器件上时，霍尔器件将产生霍尔电压U_H。

根据式（4-13），U_H与磁场B成正比，检测U_H的大小即是检测磁场B的大小，通过检测磁场B就可以换算出被测电流I_d的大小。

霍尔器件中通过的电流I_C是由辅助恒流电源供给的。与被测电流成正比的霍尔电压U_H一般是毫伏级的，使用时还必须附加信号放大器。

霍尔器件的特点是无惯性，并具有良好的隔离作用。由于是利用磁场变化检测电流，因此在使用中应采取措施，防止外界的电磁干扰。

2）LEM霍尔传感器是利用磁场平衡式原理工作的。它的主要特点是主电流回路所产生的磁场随时通过一个二次线圈所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的条件下工作。工作原理如图4-24所示。

图4-23 直测式霍尔电流传感器工作原理

图4-24 LEM传感器工作原理

LEM模块在工作时由主电流聚磁环、霍尔器件、二次线圈、放大电路、显示系统等部分组成。当主回路有一大电流I_d流过时，在导线周围产生一个强的磁场。这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件，使其产生霍尔电压U_H输出。U_H经信号放大、功率放大，输出一个补偿电流I_s。I_s通过二次线圈（其线圈匝数为N_s）产生的磁场H_s与主电流I_d所产生的磁场H_d相反，因而补偿了原来的磁场H_d，使霍尔器件的输出U_H逐渐减小。当I_sN_s产生的磁场H_s与I_dN_d所产生的磁场H_d相等时，I_d不再增加。这时霍尔器件就起到指示零磁通的作用。该过程是在非常短的时间内产生的，磁场平衡所需的时间大约为1μs，是一个动态平衡的过程。主电流I_d的任何变化都会破坏这一平衡的磁场，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有U_H输出（U_H可能为正或负）。U_H经放大器放大后施加在二次线圈N_s上，立即有相应的电流I_s流过N_s，对失衡的磁场进行补偿。因此从宏观上看，N_s的补偿电流产生的安匝数，在任何时间都与一次线圈电流I_d产生的安匝数相等。

综上所述，只要测得二次线圈N_s中的小电流I_s，就能知道一次电流即检测电流I_d的大小。I_s与I_d之间存在着如下关系：

I_dN_d=I_sN_s

式中 N_d——一次线圈匝数，一般为1匝；

I_d——一次线圈电流，检测电流；

N_s——二次线圈匝数；

I_s——二次线圈电流，补偿电流；

图4-24中的电阻R为检测电阻。补偿电流I_s流过电阻R产生压降。通过检测电阻R上的电压的变化，就可以检测电流信号I_d的变化。

LEM模块与直测式霍尔电流传感器一样，能够检测直流、交流和脉冲电流，在使用时，将被测线路的导线穿过聚磁环即可。可见，被测电源的主电路与信号检测电路只有磁联系而无电联系。

（2）霍尔电压传感器霍尔电压传感器主要是LEM霍尔电压传感器，其工作原理也是利用了磁场平衡式原理，但是需要将检测电压信号变为电流信号。将被检测的电压信号与LEM霍尔电压传感器的一次线圈及检测电阻R_I相连接，构成回路，将检测的电压转换为霍尔电压传感器一次线圈的电流，该电流产生磁场并作用于霍尔器件产生霍尔电压，该电压经放大后作用到二次线圈，产生二次电流，二次电流通过二次线圈产生的磁通与一次电流产生的磁通相平衡。可见，二次电流便能精确地反映一次线圈电流的变化，即被检测的电压的变化。

图4-25所示为LEM霍尔电流、电压传感器外形图。图4-25a为LT309-S7/SP1型霍尔电流传感器，其检测电流范围为0～±500A，额定检测电流为300A，检测电阻R_I为17Ω，电源电压为±12V～±15V，二次额定电流I_sN为150mA。图4-25b为AV100系列型霍尔电压传感器，以AV100-125为例，其额定检测电压为125V，一次额定电流为100mA，电源电压为±12V～±24V，二次额定电流I_sN为50mA，根据电源电压确定检测电阻R_V。

图4-26所示为晶闸管式弧焊整流器应用LEM传感器进行检测输出电流、电压检测电路原理图，R_I、R_V分别是LEM电流、电压传感器的检测电阻。通过检测R_I、R_V上的电压信号就可以检测出相应的弧焊电源输出电流与电压信号。

图4-25 LEM霍尔电流、电压传感器外形图

a）电流传感器 b）电压传感器

图4-26 LEM传感器的应用

电流电压信号检测方法优化

相关推荐