霍尔电流传感器工作原理 霍尔电流传感器应用案例分析

一、引言

在现代电子科技领域，电流传感器扮演着至关重要的角色。无论是电力系统、电动机控制，还是控制电流的机器和设备，都离不开对电流的精确测量。其中，霍尔电流传感器以其独特的优势，成为了电流测量领域的重要工具。

二、霍尔效应的基本原理

霍尔效应是霍尔电流传感器工作的基础。当电流通过一条导体时，会在导体周围产生一个磁场。这个磁场与另一个导体相交时，会激发出一种电势差（电压），这种现象被称为霍尔效应。霍尔效应是电磁学中的一种重要现象，它揭示了电流、磁场和电势差之间的内在关系。

具体来说，当电流I通过一块半导体材料时，会在材料内部产生一个垂直于电流方向的电场E。这个电场会导致载流子（电子或空穴）在材料内部发生偏移，从而在材料的两个侧面产生电势差VH。这个电势差VH就被称为霍尔电势，它与电流I、磁场B以及半导体材料的特性（如霍尔系数K）有关。其数学表达式为：VH = K * I * B。

三、霍尔电流传感器的构成与工作原理

霍尔电流传感器主要由感应电路、磁场引导装置和电路处理器三部分组成。感应电路是传感器的核心部分，它通常由一块带有金属接点的半导体芯片制成。磁场引导装置负责调整被测电流引起的磁场，使其与感应电路中的半导体芯片相交。电路处理器则负责读取感应电路输出的电压信号，并将其转换成与测得的电流值成比例的数字信号。

当待测电流通过磁场引导装置时，它会在半导体芯片内激发霍尔效应。这个效应会产生一个电场，使电子凝聚在芯片内的一个边缘位置。由于电子的凝聚，电子自旋方向则被改变。这种改变则引起了一种电势差，即霍尔电势。这个电势差的大小与被测电流的大小成正比，因此可以通过测量霍尔电势的大小来间接测量被测电流的大小。

在实际应用中，霍尔电流传感器通常采用闭环式工作原理。这种原理基于磁平衡式霍尔原理，通过副边补偿绕组来保持磁平衡状态。当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被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功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流。这个补偿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。当补偿电流与被测电流产生的磁场相等时，霍尔器件的输出逐渐减小至零。此时，补偿电流的大小就精确地反映了被测电流的大小。

霍尔电流传感器应用案例分析

1、2D数字伺服阀控制器的设计中基于ACS712(CH701)电流采样模块的设计

图1 2D数字阀电-机械转换器的控制原理

电流采样模块设计

电流采样一般采用的是在回路中串入电阻，利用安培定理，检测电阻上的压降来得到流过电阻的电流。采样电阻比较精密，并且阻值比较小，一般为0.01～0.1Ω左右。由于被检测的电流的幅值较大，所以所需要的采样电阻的功率也较大，体积也较大。为了减小控制器的体积，本次设计采用的是ACS712(或国产芯片CH701)线性霍尔电流传感器。传感器的内部集成有一个高精度、低偏置和线性的霍尔传感器。当霍尔传感器检测到由于铜导路径电流流过而产生的磁场时，将其转化为成比例的电压。采样得到的输出电压，需要经过放大器的变换，输入到DSP的AD模块。电流采样模块主要用来实现对步进电机两相电流的采样，从而构成电流闭环，提高控制的精度和响应速度。

2、工频风力发电储能逆变电路中的电流检测（霍尔电流传感器ACS712/CH701应用案例）

工频风力发电储能逆变电路中包括电压检测电路、电流检测电路、充电电路、发电电路、控制电路、逆变电路、LED显示电路、告警电路和输出电路，发电电路将电能传递至充电电路，电流检测电路和所述电压检测电路负责采集充电电路的电流和电压，控制电路向充电电路双向提供信号，充电电路向逆变电路提供电能，逆变电路向LED显示电路、告警电路和输出电路提供电压，充电电路包括BUCK降压电路、辅助电源电路、驱动电路、控制电路。

电压检测电路检测从发电电路输出的电压，通过电阻Ra和电阻Rb1采集电压，采集的电压信号经四路运算放大器放大输出至所述控制电路，四路运算放大器的型号为LM248DR，电流检测电路采集来自发电电路的电流，IPO端口为电流检测端口，将检测到的电流输入到控制器电路的I/O端口进行A/D转换，电流检测电路采取的芯片型号为CH701，驱动电路由控制电路通过I/O口输出PWM信号，对MOS管进行开/关控制。

3、霍尔电流传感器ACS712/ACS724/CH701应用于物联网智能光伏电路

电流检测电路、电压检测电路；

电流检测电路由ACS712/20A芯片构成（或采用国产芯片CH701)，芯片的7管脚接在所述主芯片的26端口，1管脚的第一引线接太阳能电池板P1的1管脚，第二引线接电压检测电路，2管脚的接法与1管脚的接法相同，3管脚接所述MOS管的漏极，4管脚的接法同3管脚，5管脚接地，6管脚经电容C9接地，8管脚接5V电压且电压处设置去耦电容C10，所述检测电路由放大器U1A组成，通过采样放大提供给所述主芯片，放大器U1A的1管脚接在所述主芯片的8管脚。

本方案基于BUCK电路的光伏电池最大功率点跟踪变换电路，将太阳能转换存储到蓄电池中，主芯片通过采集电路电压、电流值，从而对PWM端口进行控制，达到将光能储存为电能的目的，光伏电池电压较高，通过BUCK电路进行降压，然后再给蓄电池充电，电路中对最大功率跟踪控制，可以实现能量变换的功率最大化；采用物联网技术和OLED显示设备对能够实时检测和反馈光伏板的运行状态；当光伏板异常运行以及损坏时，能够快速定位，实现及时维护。

4、霍尔电流传感器ACS712/CH701在电动方向盘电机驱动控制器的应用

霍尔电流传感器IC通过霍尔效应，检测电流的大小，输出一个以2 .5V为基准的电压值，Vout的电压值通过高精度电阻分压。经过二极管后，进入到主控芯片DSP的AD采集引脚进行AD转换，二极管起到保护作用。

图4 电流采样及处理电路原理图

本例中的电动方向盘电机控制驱动器内设有电流保护电路，电流保护就是过流保护，防止电流过大损坏元件而设计的，实现电路如图5所示，电流保护电路在永磁同步电机绕组中的电流峰值超出功率管MOSFET的额定电流时，即达到比较器LM339的设定值时，输出低电平信号Fault信号给故障综合电路，触发产生高电平给三态输出总线接收器，动作输出关断信号，使功率开关关断，从而保护了功率开关管，以免功率器件受到损坏。

四、霍尔电流传感器的性能特点

霍尔电流传感器具有许多优点，使其在电流测量领域得到了广泛应用。首先，它具有广泛的测量范围，可以测量从毫安级到数千安级的电流。其次，它的测量精度高，响应速度快，能够在短时间内准确反映电流的变化。此外，霍尔电流传感器还具有抗干扰能力强、体积小、重量轻、安装方便等优点。这些优点使得霍尔电流传感器在电力系统、电动机控制、工业自动化等领域得到了广泛应用。

然而，霍尔电流传感器也存在一些局限性。例如，它对环境温度的变化比较敏感，温度漂移可能会影响测量精度。此外，由于半导体材料的特性限制，霍尔电流传感器的测量范围也受到一定限制。因此，在实际应用中需要根据具体需求选择合适的传感器型号和参数设置。

五、霍尔电流传感器的应用案例

为了更好地理解霍尔电流传感器的应用，以下列举几个实际案例：

1. 光伏逆变器中的电流检测：在光伏逆变器中，需要对光伏电池板输出的电流进行精确测量。霍尔电流传感器具有响应快、精度高等优点，能够满足这一需求。通过将霍尔电流传感器安装在光伏逆变器的电流输入端，可以实时监测光伏电池板输出的电流大小和方向，为逆变器的控制提供准确的数据支持。
2. 电动汽车的电池管理系统：在电动汽车中，电池管理系统需要对电池的充放电过程进行精确控制。霍尔电流传感器可以用于监测电池的充放电电流大小和方向，以确保电池的安全运行。通过将霍尔电流传感器安装在电池的正负极之间或充电回路上，可以实时监测电池的充放电状态并做出相应的控制策略。
3. 工业自动化中的电机控制：在工业自动化领域，电机控制是一个重要的环节。霍尔电流传感器可以用于监测电机的运行状态和负载情况，为电机的控制提供准确的数据支持。通过将霍尔电流传感器安装在电机的电源线路上或控制回路上，可以实时监测电机的电流大小和方向以及负载情况的变化趋势，并根据这些信息做出相应的控制策略以实现电机的精确控制。

霍尔电流传感器是一种利用霍尔效应原理来测量电流的传感器。它具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应速度快等优点，广泛应用于电力、电子、自动化、能源等领域。霍尔效应是指当导体或半导体材料置于垂直于电流方向的磁场中时，会在垂直于电流和磁场方向的两侧产生一个横向电势差的现象。这个电势差被称为霍尔电势差，其大小与磁场强度和电流成正比。霍尔效应的发现可以追溯到1879年，由美国物理学家埃德温·赫伯特·霍尔（Edwin Herbert Hall）首次发现。

随着电子科技的不断发展，霍尔电流传感器技术也在不断进步。未来，霍尔电流传感器将朝着更高精度、更快响应速度、更宽测量范围以及更好的环境适应性等方向发展。同时，随着新材料、新工艺和新技术的应用不断涌现，霍尔电流传感器的性能将得到进一步提升并拓展到更多领域的应用中。