电流传感器的种类及其特长

对分流法/带芯电流传感器/无芯电流传感器的特长进行比较,讲解

技术说明

目前,电流传感器已广泛用于以工业设备为首的多种应用中。

在工业设备中,电流检测通常需要绝缘措施,其方法有分流电阻+绝缘运放/绝缘ADC方式,有芯电流传感器方式和无芯电流传感器方式 (电流传感器IC)。

本页将介绍各种电流检测方法的概要及其优缺点。 

1. 电流检测方法

电流检测方法可以分为三种类型:分流电阻+隔离运放/隔离ADC方式,有芯电流传感器方式和无芯电流传感器方式 (电流传感器IC)。

下表总结了各种方法的特征。 每种方法的优缺点将在下面各部分中进行说明。

图1. 比较表

* 1 当使用水泥电阻时,我们用“×”来表示。

* 2 不仅是二次侧,一次侧也会因为IC驱动而消耗电流。

* 3 当电流为超过20A的大电流时,因降低了散热基板及风扇的费用,更具成本优势,所以我们用“○”来表示。

如何选择电流检测方法

・分流电阻+绝缘运放/绝缘ADC方式适用于在干扰磁场较大的环境中,用于高精度检测不会引起发热问题 (10A以下) 的微小电流。

・磁通门适用于当前电流检测技术中需要最高精度的应用。

・一般的无芯电流传感器适用于小型设备中要求小尺寸的应用,以及比起检测精度,更重视成本的应用。

・AKM的无芯电流传感器IC的性能不仅可以与一般无芯电流传感器相比,而且其在所有项目上都可以媲美带芯电流传感器 (开环,闭环)。

2. 分流电阻+绝缘运放/绝缘ADC方法 

分流电阻+绝缘运放/绝缘ADC方法是将要测量的电流流过一个已知电阻器,根据该电阻器的下降电压值来计算出电流值的方法,绝缘措施需要通过后段使用缘放大器或者ADC实现。

该方法是最主要的电流检测方法,适用于检测不需要担心发热的小电流。 但是,在数十A或更高的大电流流过的应用中,以下缺点会更显著。

优点 

・它是当前最主流的检测方法,并且各公司都积累有一定的技术水平。 

缺点

・由于在一次侧 (高压侧) 有例如绝缘电源和双极电源等诸多部件,因此设计需要花费时间和精力。

・由于发热与电阻值成正比,因此发热是其他方法的几倍至几十倍,从而导致散热设计困难。

・由于零件数量众多,难以布线,并且安装面积增加。

图2. 分流电阻方法的示意图

有一种可以解决上述分流电阻+绝缘放大器/绝缘ADC方法的缺点的方法,叫磁“电流传感器”。

3. 磁电流传感器

磁电流传感器是一种通过使用磁传感器检出通电电流线周围产生的磁场进而检测电流量的方法。

与分流电阻方法不同,磁电流传感器内部具有绝缘构造,因此在后段无需安装绝缘放大器或隔离ADC。

另外,由于不需要根据电流量来改变电阻值,因此作为 “可解决只能用较低阻值的电阻检测电流的分流电阻方式缺点” 的方案而引起人们的关注。

3-1. 带芯电流传感器

在磁电流传感器中,使用磁芯收集并检测电流线周围磁场的传感器被称为有芯电流传感器。

带芯电流传感器可分为三类:1.开环型、2.闭环型、3.磁通门型。 

3种归类的比较

价格从低到高:开环 < 闭环 < 磁通门

精度从低到高:开环 < 闭环 < 磁通门

共同的优势

・一次导体的电阻值小,并且发热量小。

・零件数量很少 (不需要其他零件)。

共同的劣势

・由于含有磁芯材料,因此难以减小高度,使安装位置受限。

・由于磁芯原则上具有磁滞,所以在施加大磁场前后,零电流下的传感器输出 (偏置电压) 会发生变化,这会引起误差。 

在磁通门方法中,磁芯之间有一个探测线圈,该探测线圈由高频交流电驱动以用作传感器。

因此,磁通门方式独特的优点是,无论温度如何,原则上都不会发生偏移。

然而,由于具有探测线圈的配置,结构复杂且昂贵,并且需要反馈电流,所以电流消耗大是其缺点。

解决上述带芯电流传感器缺点的方法,是使用“无芯电流传感器”。 

图3. 带芯电流传感器的示意图

3-2. 无芯电流传感器

所谓的无芯电流传感器是一种不使用磁芯检测一次导体通电电流所产生的磁场,而通过霍尔元件直接检测并将其输出电压通过IC进行放大和校正的构造极其简单的电流传感器。

它被开发为一种既能解决由磁芯引起的问题同时又能保持当前带芯传感器的优势的传感器,并且自2010年上半年以来一直用于强调尺寸微型化的应用中。

3-2-1. 普通无芯电流传感器

硅材料霍尔元件灵敏度较低,因此为了弥补这一点必须采取一些措施,例如将一次导体做细以增加磁场强度,或者增大校正IC的增益。

其结果,存在以下优缺点。

优点 

・由于没有磁芯,因此可以减小高度。内部结构简单,易于降低成本。

・由于没有磁芯,因此没有磁滞误差。

・低电流消耗。 

缺点 

・因为一次导体变细导致电阻值变高,所以容易产生热量。无法测量大电流。

・霍尔元件的灵敏度低,并且为了获得足够的分辨率,将频带设计得很窄。因此,响应速度变慢。

・增大校正IC的增益也会放大霍尔元件的偏移,从而难以提高精度。 

图4. 无芯电流传感器的示意图

3-2-2. AKM无芯电流传感器 

AKM的无芯电流传感器利用AKM的专有技术解决了上述普通无芯电流传感器的缺点。 

优点 

・由于一次导体的电阻值低实现了低发热外,还支持±5A至±180A的广域电流测量范围。

・通过使用高灵敏度的化合物半导体霍尔元件于传感器内,因此不需要将频带变窄也可以实现高分辨率。

・因此,可以实现支持宽频带及高分辨率特性。

・由于使用的霍尔元件灵敏度高,不必大幅增加校正IC的增益,从而实现了低偏移和高精度。 

缺点

・成本略高于普通的无芯电流传感器。 

相关信息 

Please refer to the below links for more details about the characteristics of AKM coreless current sensor IC "Currentier".

AKM coreless current sensor IC "Currentier"

Small package and system downsizing by low-heat generation

Board commonality with wide current measurement range and simplification of thermal design by low-heat generation

Standards of insulation (UL compliant/certified) and over current detection function

System efficiency by accuracy, low noise characteristics, and good temperature characteristic