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作者:游景鈺(2001-02-25),推薦:徐業良(2001-03-02)  
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、特性規格與使用方法。

CSLA1CD電流感測器使用說明

1. CSLA1CD電流感測器目的與用途

在一般的機械設計與工業檢測上,電流的檢測是非常重要的一環,在自動控制系統中常應用電流的檢測以達成系統保護目的、例如電能衰減檢測、馬達超載檢測保護、控制系統診斷以及能源管理等。以下介紹一般的電流感測器感測方式。

1.1 電阻法

電阻法為一般常用的方式,其原理為將待測之電流串聯一極小的電阻,並量測電阻兩端的電位差,由電路學基本公式V=IR可知電阻固定時電壓與電流成正比,並藉由此關係式可求得電流值。其優點為使用簡單、適用於交、直流電流,缺點為不易與電流絕緣、輸出電壓小、插入損失大。

1.2 CT

CT法量測概念如圖1所示,其原理為將待測的導線通過一磁路,使磁路產生一磁場B,而磁場B又使磁路上的線圈產生感應電流,再以上述電阻法量測此感應電流,不同的是以電阻法量測此感應電流不會因為串聯電阻而影響到,其優點為利用範圍大、能絕緣、輸出電壓較大。

1. CT法電流感測器

1.3 霍爾元件法

霍爾元件法感測方式類似CT法,也是由待測的電流使磁路產生磁場,但不同的是其磁路有一間隙,在間隙中放入霍爾元件並以產生的磁場使霍爾元件產生霍爾電壓,進而獲得待測電流值。本文介紹的CSLA1CD型電流感測器亦為應用霍爾元件法的電流感測器,下一節中將詳細敘述霍爾效應之原理。

2. CSLA1CD型電流感測器

CSLA1CD型電流感測器HONEYWELL公司所生產的CS系列線性電流感測器,用於量測交流及直流電流。CSLA1CD型電流感測器具有線性輸出、反應時間短、低能源損耗、準確度高等特性,並內建溫度補償功能,可在-2585使用,其內部以微製程技術整合各項感測元件,包括HONEYWELL生產的91SS12-2霍爾元件(LOHET™),並以PET聚酯材料封裝。整體外型與其尺寸如圖23所示。

2. CSLA1CD型電流感測器

3. CSLA1CD整體構造

2.1 工作原理與性能規格

CSLA1CD型電流感測器的工作原理為應用霍爾效應,如圖4所示,當被測定電路導體中有一電流I通過時,鐵心將產生一感應磁場B,其方向垂直於電流I的方向,因此在鐵心的間隙間會有一方向向下的磁場,若假設其霍耳元件所使用的材料為p型半導體,則根據勞倫斯(Lorentz)方程式可知電洞將受到一個往右移的力量(佛來明左手法則)。由於電洞都往右聚集的結果,形成一個由右而左的電場。由於在y方向並沒有淨電流移動,則y方向的電場將與勞倫斯力平衡。亦即

                                                                                              (1)

                                                                                                                (2)

4. 霍爾效應示意圖

只要相等則電洞在x方向移動將不再有y方向的淨力出現,而此種電場的建立被稱為霍爾效應,而被稱為霍爾電場,霍爾電壓為,而上述公式將可寫成:

                                     (3)

                                                                                              (4)

                                                       (5)

其中nn型半導體電子數,pp型半導體電洞數,q為每個電子的帶電量,比例常數被稱為霍爾係數,在p型材料中值為正,n型材料則相反。

在上述公式中霍爾電壓可重新被表示為

                                                                               (6)

A為霍爾元件截面積,即),故

                                                                                                  (7)

d為定值,則B成正比,亦即磁場大小與霍爾電壓輸出大小成正比,因此可以利用霍爾電壓來求待測電流產生的磁場大小,進而獲得待測電流值。表1CSLA1CD型電流感測器之性能規格。

1. CSLA1CD型電流感測器(*N=匝數)

電壓供應

8 to 6 伏特(直流)

電流供應

19 毫安培(最大值)

待測電流

57 安培(峰值)

補償電壓

Vcc/2 伏特10%

靈敏度

Nominal

49.6 mV∙N*(at 12VDC

TOL

5.8 mV∙N*(at 12VDC

反應時間

3 μSec.

補償電壓轉換

0.5 % /

2.2 使用說明

如圖5所示,CSLA1CD型電流感測器共有三支接腳,其中PIN1PIN3分別為輸入電壓的正、負接腳,PIN2為輸出電壓接腳。使用此感測器時,先以此感測器量測已知電流,並取得其輸出電壓與已知電流間的關係式,便可準確的以輸出電壓換算出電流值。

5. 各接腳相關示意圖

參考文獻

感測器,陳瑞和編著,全華圖書,821月。

Physics For Scientists And Engineers with Modern Physics, Giancoli D.C., Prentice-Hall, 1988.

版本項 2nd ed Richard Wolfson Jay M. PascachoffHarper Collins

“Solid State Sensors,” Micro Switch Sensing and Control, Catalog 20, Honeywell Inc., 1997, p.58-59.