浅析霍尔传感器的工作原理

霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的.它有两种工作方式,即磁平衡式和直式.霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、(次级线圈)和放大电路等组成.

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.

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 IH 与匝数相乘 与“原边电流与匝数相乘”所产生的磁场相等时, IH 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IH 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 IH 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。

工作原理主要是霍尔效应原理.

一、以零磁通闭环产品原理为例:

1、当原边导线经过电流传感器时，原边电流 IP 会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流 IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP 其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数；

NP/NS—匝数比，一般取 NP=1。

电流传感器的输出信号是副边电流 IS，它与输入信号（原边电流 IP）成正比， IS 一般很小，只有 10~400mA。如果输出电流经过测量电阻 RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。

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-。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，所以其测量范围要相供高于双电的传感器。

3、测量范围 Ipmax

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。二、电流传感器主要特性参数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 10~400mA，当然根据某些型号具体可能会有所不同。

2、 偏移电流 ISO

偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在 25℃，IP=0 时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。

3、 线性度

线性度决定了传感器输出信号（副边电流 IS）与输入信号（原边电流 IP）在测量范围内成正比的程度。

4、 温度漂移

偏移电流 ISO 是在 25℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO 会产生变化。因此，考虑偏移电流 ISO 的最大变化是很重要的，其中，IOT 是指电流传感器性能表中的温度漂移值。5、 过载电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，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测量不出来，但不会对传感器造成损坏。

5、 精度

霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流 IPN。在+25℃时，传感器测量精度与原边电流有一定影响，同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。