霍尔电流传感器及其应用

在现代社会中，人们对于信息化的需求越来越庞大，而传感器则在信息采集中发挥了重要的作用。它们可以按照一定的规则把各种物理信息转化为可测量的电信号。基于我们测量得到的电信号的变化，以及相关的物理信息关系，我们就可以获得测量的物理信息的变化或大小。

根据传感器的工作原理，我们可以将传感器分为光电传感器、电荷传感器、电位型传感器、半导体传感器、电传感器、磁传感器、谐振传感器、电化学公式传感器等多种类型。

霍尔传感器是基于霍尔效应原理的霍尔元件，它能协调物理信息，如电流、磁场、位移、转动、压力等等，形成电动势输出。它属于电位型传感器。目前，这种传感器主要是霍尔集成电路，核心单元是基于霍尔效应，他们是通过集成电路技术实现的。所以它不仅是一种集成电路，而且是一种磁性传感器。

本文主要是根据实际的应用来介绍霍尔电流传感器。

1. 霍尔效应

当我们在磁场中放置金属或半导体晶片时，如果有电流通过，就会产生电动势，方向是在电场和磁场的垂直方向上，我们称这种物理现象霍尔效应。它是美国的科学家霍尔发现的。

图 1 霍尔效应原理图

在磁场中产生的洛伦兹力作用下，带电半导体芯片的载流子在晶片的两侧分别进行偏转和积累，形成电场，这个电场被称为霍尔电场。霍尔电场产生与洛伦兹力相反的电场力，阻碍载体继续堆积，直到霍尔电场力与洛伦兹力相等，导体中的载流子达到力学平衡，不再发生偏转，整个导体处于动态平衡状态。此时，它将在芯片的两侧设置一个稳定的电压，这就是霍尔电压。

霍尔电流传感器

随着城市人口的增加和城市建设规模的扩大，以及各类电力设备的不断增加，电力消耗越来越大。城市供电设备经常超负荷，电力环境越来越差，对电力的“考验”越来越严重。因此，电力供应中出现的问题越来越明显。现在，小型电源设备已经与越来越多的新技术相结合。例如开关电源、硬开关、软开关、参数调压器、线性反馈调压器、磁放大器技术、数字控制压力调节、PWM、SPWM、电磁兼容等，实际需求直接推动电力技术的发展和进步。为了能自动检测和显示电流，在电流、过电压等伤害发生时自动保护功能和更先进的智能控制，传感检测、传感采样和传感保护的供电技术成为一种趋势。传感器检测电流或电压，称为霍尔电流传感器，并迅速成为我国电源设计人员的最爱。霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场，那么在垂直于 电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I。霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。

2.1 霍尔电流传感器的性能特性

霍尔电流传感器具有优越的性能，是一种先进的电气检测元件，可以隔离主电路回路和电子控制电路。它具有变压器和分流的优点，同时克服了它们的缺点(变压器只能应用于功率频率测量，50hz;分流不能做隔离测量)。采用相同的霍尔电流传感器模块检测元件不仅可以检测交流，还可以检测直流，甚至可以检测到瞬态峰值。非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性；原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。使用非常方便，取一只LT100－C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外，工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。在使用微机检测中需信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算机接口。

在3KV以上的高压系统，电流、电压传感器都能与传统的高压互感器配合，替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。它具有以下性能特征。

●测量任意波形电流，如直流、交流、甚至瞬态峰值参数测量;

●精度高。一般霍尔传感器模块在工作区域的精度高于1%，精度适合任何波形测量;

●线性度高于0.5％;

●良好的动态性能。一般的动态响应时间小于7mu;s霍尔传感器模块,和跟踪速度di / dt是高于50 /mu;s;

●工作频段宽。它的工作在频率范围从0到20 KHZ非常好;

●过载能力强。测量范围宽（0~plusmn; 10000A）;

●可靠性高。平均无故障工作时间超过5times; 10000小时;

●体积小，重量轻，易于安装和系统不会带来任何损失。

鉴于上述的高性能特性，霍尔电流传感器获得了广泛的应用。

2.2 霍尔电流传感器的原理

霍尔电流传感器可以测量各种电流，从直流到交流电的千兆赫。工作的基本原则主要是霍尔效应原理。霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场，那么在垂直于 电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I。霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。霍尔电流传感器是利用霍尔效应将一次大电流变换为二次微小电压信号的传感器。实际设计的霍尔传感器往往通过运算放大器等电路，将微弱的电压信号放大为标准电压或电流信号。

2.2.1 开环电流传感器

当主侧电流通过一根长导线时，它会在导线周围产生磁场，磁场的大小与导线的电流成正比，磁场在磁环内聚集。通过磁环间隙之间的霍尔元件，测量并输出放大结果，输出电压Vs准确反映主侧电流Ip。一般额定输出为4V。

图 2 开环电流传感器的原理图

这种方法有很多优点。其结构简单，可测量直流、交流和各种波形电流。此外，测量结果的精度和线性度也较高。但其测量范围和带宽在一定程度上受到限制。在该应用中，霍尔器件是一种磁性探测仪，它检测磁感应强度在磁芯磁路气隙中。在电流增加后，核心可能达到饱和;随着频率的增加，核心的涡流损耗和磁滞损耗也会增加。这些将影响测量精度。

通过这种方法，结果将输出电压信号的形式，在附件中很容易实现。

2.2.2 闭环电流传感器

图 3 闭环电流传感器的原理图

磁平衡电流传感器也称为补偿传感器。这意味着被补偿所产生的二次线圈电流的磁场的磁场所产生的初级侧电流 Ip 聚集在生成空间。其偏置电流准确地反映原边电流 Ip，从而使霍尔器件停留在检测零磁通的工作状态。

闭环电流传感器也称为补偿传感器。它的意思是，通过由二次线圈电流产生的磁场来补偿在聚珠空间中产生的主侧电流Ip所产生的磁场。它的偏置电流准确反映了主侧电流Ip，使霍尔器件处于检测零通量工作状态。闭环式霍尔电流传感器，也称零磁通霍尔电流传感器或磁平衡式霍尔电流传感器，是基于磁平衡式霍尔原理，即闭环原理，当原边电流IP产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边IP产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。

磁平衡电流传感器的具体工作过程是:当电流流过主电路,产生的磁场在导线由保利珠子和聚集堂大厅设备,利用输出信号驱动功率管,使其行为,这样我们就可以得到一个补偿电流。电流通过multicircuit绕组产生磁场，与由测量电流产生的磁场相反，从而补偿原有的磁场，使霍尔器件输出逐渐减少。当Ip变成与由匝数相乘产生的磁场相同的时候，将不再增加。在当时，大厅设备可以指示零流量。我们可以测试Ip。当Ip改变时，平衡将被破坏，霍尔设备将有一个输出信号，因此，它将重复上述过程以实现平衡。测量电流的任何变化都会破坏平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出。在功率放大器之后，会有相应的电流通过二次绕组来立即补偿不平衡的磁场。磁场的时间改变不平衡再平衡需要不到1mu;s理论。这是一个动态平衡过程。因此，从宏观的角度来看，二次补偿电流的安培匝数与任意时刻主测电流的安匝数相同。

当它变为平衡时，霍尔器件将保持零通量状态。磁芯的磁感应强度极低(理想状态应为0)，不会产生磁芯饱和，也不会产生大磁滞损耗或涡流损耗。正确选择核心材料和线路元件，可以制造出优秀的零磁功率电路传感器。

以这种方式测量的输出将是当前信号。如果你想要电压信号，你可以连接一个负载在输出，然后它可以转换成电压输出。

2.3 霍尔电流传感器在智能电网中的应用

由于霍尔电流传感器可以测量各种电流，具有测量范围大、精度高、线性度好、安装方便等优点，因此得到了广泛的应用。这是智能电网应用的主要原因。

随着现代社会的蓬勃发展，不是工业用电，而是生活用电急剧增加，各种工作不断增加，大大增加了工作人员的负担。为了实现合理的配电，更有效地完成电路故障检测，利用电网内的霍尔电流传感器，以及各种基础设施，实现智能电网，实现电力的高效利用。

由于霍尔电流传感器的安装简单，我们将霍尔电流传感器模块直接用于测量电路，如果足够，覆盖面积相当大，可以获得每个分支的当前信息。与无线通信模块相辅相成，可以及时将测量信号传输到控制台。在控制台上，我们可以很好地处理这些信号，并在此时准确地获取整个电网的电力信息，这样我们就可以合理地分配电力。与无线通信模块相辅相成，可以及时将测量信号传输到控制台。

在一段时间内，如果一些分支出现故障，我们只需要操作控制台并查询那些异常的当前检测信号。然后，根据相关的位置信息，我们可以迅速缩小故障范围，从而实现高效的故障排除和解决。

智能电网中广泛应用高隔离度的电压、电流、功率等传感器，因为只有感知这些基本信息，电网才有可能进行智能控制。之前，智能电网中的电流传感器主要由霍尔敏感头、处理电路、外壳以及接插件邓结构组成，这就导致它未能集成化。因此，电流传感器体积大，生产调试校准工作量大，成本高。目前，随着霍尔电流传感器的出现，这种状况已经有所改善。
磁传感器中的霍尔电流传感器，在无刷电机中应用极为广泛，在小至计算机中CPU的散热风机、大至电动自行车中的中等功率无刷电机中都有。另外，电动车上调速转把的扭矩传感器用的也是霍尔电流传感器。在使用无刷电机的领域，电机中的换相采用霍尔传感器是当前的主流，例如在汽车、航天、工业、农机、控制、军工等等领域，只要用到无刷电机，都需要霍尔传感器，在电动自行车领域规模较大。另外，在翻盖手机上也用微功耗霍尔IC。在我们的实验中，我们采用了开环电流传感器CS020G。其电路连接图如图4所示:

图 4 霍尔电流传感器连接在电路中的图

图 5 霍尔传感器电流的应用原理图

3. 总结

随着研究的发展，传感器的使用将更加频繁，其功能和集成也将更加强大。在测量准确性、灵活性等方面，他们也

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