霍尔电流传感器的研究要点

霍尔电流传感器的研究

摘要：随着新器件和新的控制技术的使用,控制系统中的电流信号不再局限于传统的50Hz正弦波,而可能是各种形状复杂的脉动信号,且主电路和控制回路之间要隔离。传统的电流检测方法已经不能满足这些波形的控制和测量要求,因此必须结合实际需求研究和开发新的电流测量方法和检测设备,其中霍尔电流传感器正是在此背景下诞生的一种性能优越的电流测量装置。本文以HEC公司的产品为主线，介绍霍尔电流传感器原理,并对HEC各型号的电流传感器的主要性能作了一定的分析，并且列举了霍尔电流传感器的具体应用实例。

关键词：霍尔效应霍尔电流传感器车载应用

一引言

近年来，随着科技的发展，各种用电设备增多，用电量越来越大，用电环境需求精密，对电流的检测要求日益严格，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、检测电流或电压的传感器，即霍尔感器便日益被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。

二工作原理

2.1 霍尔效应

2.1.1霍尔效应原理

将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B ，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势H V，如图1所示，这现象称为霍尔效应。H V称为霍尔电压。

++++++------

V H

E H e

F m

F b I d B

A B Z X

Y

++++++------V H E H F m F e B b I d A B

(a) (b) 图1 霍尔效应原理图

实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即

d IB R V H H = (1) 或 IB K V H H = (2)

式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA ·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。

如图1（a ）所示，一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄片，置于沿Z 轴方向的磁场B 中，在X 轴方向通以电流I ，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为 j eVB B V e B V q F m -=⨯-=⨯= (3) 式中V 为电子的漂移运动速度，其方向沿X 轴的负方向。e 为电子的电荷量。m F 指向Y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A 侧面积聚，同时在B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场H E （即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y 轴正方向的电场力e F ，A 、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压），则 j b V e j eE E e E q F H H H H e ==-== (4)

将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 0=+e m F F 0=+-j b V e j eVB H

即 b V e eVB H

=

得 VBb V H = (5)

此时B 端电位高于A 端电位。

若N 型单晶中的电子浓度为n ，则流过样片横截面的电流

I =nebdV

得

nebd I V = (6) 将(6)式代入(5)式得 IB K d IB R IB ned V H H H ===1 (7)

2.2霍尔元件

霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge 、Si 、InSb 、GaAs 、InAs 、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 InSb 和GaAs 霍尔元件输出特性见图2(a)、图2(b).

图2霍尔元件的结构和输出特性

2.3霍尔电路

它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图3和图4。

这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的性能参数见表3。

图3 霍尔线性电路的功能框图

图4 霍尔线性电路ugn3501的磁电转换特性曲线

2.2.1 直放式电流传感器（开环式）

众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。HEC的A B C XL几个系列的传感器属于该类型。

2.2.2磁平衡式电流传感器（闭环式）

磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。HEC的D E两个个系列的传感器属于该类型。

三技术性能分析

3．1电流传感器特性参数

1、标准额定值IPN和额定输出电流ISN

IPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。ISN指电流传感器额定输出电流，一般为

100~400mA，某些型号可能会有所不同。

2、传感器供电电压VA

VA指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。

3、测量范围Ipmax

(1)测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。

(2)要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。

4、过载

发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般