主流的電流測量技術包括電阻式測量電流、電磁感應測量電流以及晶體管測量電流,每種方法都有其優點,根據應用的要求不同,可以采用合適的電流測量方法。
在這三種電流測量技術中,電阻式測量電流方法和晶體管電流測量技術是直流測量技術,電磁感應測量電流技術典型應用包括電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈,屬于間接測量電流技術。
用電阻測量電流是一種直接方法,典型的應用是分流器。電阻測量電流技術優點是簡單,線性度好。檢流電阻與被測電流放在一個電路里,流經電阻的電流會使一小部分電能轉化為熱。這個能量轉換過程產生了電壓信號。用電阻測量電流除了簡單易用和線性度好的特點,檢流電阻的性價比也很好,溫度系數(TCR)穩定,可以達到100 ppm/℃以下或0.01%/℃,不會受潛在的雪崩倍增或熱失控的影響。還有,低阻(小于1mΩ)的金屬合金檢流電阻的抗浪涌能力非常好,在出現短路和過流情況時,能實現可靠的保護。
電磁感應測量電流技術的典型應用包括電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈。
電磁感應測量電流技術典型應用是電流互感器。電流互感器有三個突出優點:與線電壓隔離,無損測量電流,大信號電壓能很好地抵御噪聲。這種間接測量電流的方法要求用到變化的電流,例如交流電,瞬變電流或開關式直流電,來產生一個磁耦合到次級繞組里的變化磁場。次級測量電壓可以根據在初級和次級繞組間的匝數比實現縮放。這種測量方法被認為“無損的”,因為電路電流通過銅繞組時的電阻損耗非常小。但是,由于負載電阻、芯損,以及初級和次級直流電阻的存在,互感器的損耗會導致失去一小部分能量。
電流互感器原理圖
羅氏線圈類似于電流互感器,會在次級線圈內會感應產生一個電壓,電壓大小與流經隔離電感器的電流程正比。特殊之處在于,羅氏線圈采用的是氣芯設計,這一點與依賴層壓鋼等高磁導率鐵芯和次級繞組磁耦合的電流互感器完全不同。氣芯設計的電感較小,有更快的信號響應和非常線性的信號電壓。由于采用了這種設計,羅氏線圈經常被用在像手持電表這樣的已有接線上,臨時性地測量電流,可以認為是電流互感器的低成本替代方案。
關于羅氏線圈的基本原理可以參考:羅氏線圈的工作原理
利用霍爾效應測量電流的典型應用是霍爾傳感器。霍爾傳感器當一個帶電流的導體被放進磁場里時,在垂直于磁場和電流流動方向上會產生電位差。這個電位與電流大小成正比。在沒有磁場和電流流過時,就沒有電位差。但如圖所示,當有磁場和電流流過時,電荷與磁場相互作用,引起電流分布發生變化,這樣就產生了霍爾電壓。
霍爾效應元件的優點是能測量大電流,而且功率耗散小。然而,這種方法也有不少缺點,限制其使用,例如要對非線性的溫度漂移進行補償、帶寬有限、對小量程的電流進行測量時,要求使用大偏置電壓,這會引起誤差、易受外部磁場的影響、對ESD敏感、成本高等。
關于霍爾效應的基本原理可以參考:霍爾效應
晶體管電流測量技術這里不做詳細介紹,總的來說探測電路中電流的方法有很多種,每種方法均有其優點和不足,在實際應用中要根據應用特定的需求來選擇合適的方法。
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