閉環霍爾傳感器的工作原理

自1879年美國物理學家Edwin Herbert Hall發現霍爾效應以來，霍爾技術被越來越多地應用於工業控製的各個領域。隨著元器件工藝技術的發展，由霍爾器件應用開發的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有了很大提高

，特別是閉環霍爾電流、電壓傳感器的研製成功
，大大地擴展了該項技術的應用領域。

霍爾效應及霍爾器件

霍爾效應是霍爾技術應用的理論基礎
，當通有小電流的半導體薄片置於磁場中時（如圖1）
，半導體內的載流子受洛倫茲力的作用發生偏轉，使半導體兩側產生電勢差
，該電勢差即為霍爾電壓VH
，VH與磁感應強度B及控製電流IC成正比，經過理論推算有式（1）關係。

VH=（RH/d）×B×IC（1）

式中：B為磁感應強度；IC為控製電流；RH為霍爾係數；d為半導體厚度。

式（1）中，若保持控製電流IC不bu變bian

，在zai一yi定ding條tiao件jian下xia
，可ke通tong過guo測ce量liang霍huo爾er電dian壓ya推tui算suan出chu磁ci感gan應ying強qiang度du的de大da小xiao，由you此ci建jian立li了le磁ci場chang與yu電dian壓ya信xin號hao的de聯lian係xi。根gen據ju這zhe一yi關guan係xi式shi，人ren們men研yan製zhi出chu了le用yong於yu測ce量liang磁ci場chang的de半ban導dao體ti器qi件jian
，即ji霍huo爾er器qi件jian。

 
圖1:霍爾效應原理

閉環霍爾電流傳感器的工作原理

閉環霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用於隔離檢測電流的模塊化產品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式）。眾zhong所suo周zhou知zhi
，當dang電dian流liu流liu過guo一yi根gen導dao線xian時shi，將jiang在zai導dao線xian周zhou圍wei產chan生sheng磁ci場chang
，磁ci場chang的de大da小xiao與yu流liu過guo導dao線xian的de電dian流liu大da小xiao成cheng正zheng比bi
，這zhe一yi磁ci場chang可ke以yi通tong過guo軟ruan磁ci材cai料liao來lai聚ju集ji
，然ran後hou用yong霍huo爾er器qi件jian進jin行xing檢jian測ce，由you於yu磁ci場chang的de變bian化hua與yu霍huo爾er器qi件jian的de輸shu出chu電dian壓ya信xin號hao有you良liang好hao的de線xian形xing關guan係xi，因yin此ci
，可ke利li用yong霍huo爾er器qi件jian測ce得de的de輸shu出chu信xin號hao，直zhi接jie反fan映ying出chu導dao線xian中zhong的de電dian流liu大da小xiao
，即ji

I∝B∝VH（2）

式中：I為通過導線的電流
；B為導線通電流後產生的磁感應強度。

當選擇適當的比例係數後，上述關係可以表示為等式。

對於霍爾輸出電壓信號VH的處理


，人們設計了許多種電路
，但總體來講可分為兩類
，一類為開環（或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環（或稱零磁通式
、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

zhenduihuoerchuanganqidedianluxingshieryan，renmenzuirongyixiangdaodeshijianghuoerqijiandeshuchudianyayongyunsuanfangdaqizhijiejinxingxinhaofangda
，dedaosuoxuyaodexinhaodianya，youcidianyazhilaibiaodingyuanbianbeicedianliudaxiao
，zhezhongxingshidehuoerchuanganqitongchangchengweikaihuanhuoerdianliuchuanganqi。kaihuanhuoerchuanganqideyoudianshidianluxingshijiandan，chengbenxiangduijiaodi
；其缺點是其精度、線性度較差，響應時間較慢
，溫度漂移較大。為了克服開環傳感器的不足，上世紀80年代末期，國外出現了閉環霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一(yi)廠(chang)引(yin)進(jin)國(guo)外(wai)技(ji)術(shu)在(zai)國(guo)內(nei)率(lv)先(xian)開(kai)展(zhan)閉(bi)環(huan)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)研(yan)製(zhi)和(he)生(sheng)產(chan)。經(jing)過(guo)十(shi)幾(ji)年(nian)的(de)努(nu)力(li)，這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)國(guo)內(nei)逐(zhu)漸(jian)為(wei)廣(guang)大(da)用(yong)戶(hu)了(le)解(jie)和(he)應(ying)用(yong)。

閉環霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的（如圖2），即原邊電流（IN）所產生的磁場
，通過一個副邊線圈的電流（IM）所產生的磁場進行補償
，使霍爾器件始終處於檢測零磁通的工作狀態。當原副邊補償電流產生的磁場在磁芯中達到平衡時，即

N1×IN=N2×IM（3）

式中：N1為原邊線圈的匝數；N2為副邊線圈的匝數。

由式（3）可以看出，當已知傳感器原邊和副邊線圈匝數時，通過測量副邊補償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值
，從而實現了原邊電流的隔離測量。

 
圖2:閉環霍爾電流傳感器的工作原理

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閉環霍爾電流傳感器的主要性能

閉環霍爾電流傳感器是近10nianlaichuxiandegaojishumokuaihuachanpin，qixingnengdadayouyukaihuanhuoerdianliuchuanganqi，tongshiyuchuantongdefenliuqihuohuganqidedianliuceliangfangfaxiangbiyiyouxuduoyoudian。bihuanhuoerdianliuchuanganqizhuyaoyouyixiatedian：

1） 可以同時測量任意波形電流
，如：直流、交流、脈衝電流
；

2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～12kV；

3）電流測量範圍寬
，可測量額定1mA～50kA電流
；

4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；

5）線性度優於0.1％IN；

6）響應時間<1μs；

7）頻率響應0～100kHz。

傳感器在車用電源係統中的應用

閉環霍爾電流傳感器的應用範圍很廣
，目前已成功地應用於逆變焊機，發電及輸變電設備，電氣傳動，數控機床等工業產品上。表1以額定電流為300A的CHB－300S型霍爾電流傳感器為例
，說明這種傳感器的應用。

在某型地麵車輛上裝備了一套獨立的大功率發電係統
，該發電係統設計選用了CHB－300S型(xing)閉(bi)環(huan)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)作(zuo)為(wei)係(xi)統(tong)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)部(bu)件(jian)，通(tong)過(guo)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，設(she)定(ding)限(xian)流(liu)工(gong)作(zuo)點(dian)，確(que)保(bao)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)不(bu)高(gao)於(yu)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)。閉(bi)環(huan)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)CHB－300S的應用，很好地實現了上述應用目的。如圖3所示，發電機G輸出正端彙流母線穿過CHB－300S/SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB－300S/SP1檢測發電機的輸出電流，傳感器的輸出IMyufadianjikongzhihexianglian



，youfadianjikongzhiheshedingfadianjideshuchudianliukongzhidian，yijucixinhao


，duifadianjideshuchudianliujiayixianzhi，bimianfadianjiyinshuchugonglvguogaoerfashengguzhanghuosunhuai，congerbaozhengfadianxitongzhengchanggongzuo。

 
圖3：CHB－300S傳感器的應用

結語

該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)車(che)用(yong)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)對(dui)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)的(de)技(ji)術(shu)要(yao)求(qiu)

，已(yi)在(zai)多(duo)套(tao)地(di)麵(mian)車(che)輛(liang)的(de)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)應(ying)用(yong)，並(bing)按(an)相(xiang)關(guan)標(biao)準(zhun)進(jin)行(xing)了(le)實(shi)驗(yan)測(ce)試(shi)，測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)受(shou)到(dao)專(zhuan)家(jia)的(de)肯(ken)定(ding)。