一种霍尔电流传感器的电路设计 设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可广泛应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测电流。 由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，而且还存在较大的失调电压，因此对霍尔电压的放大和对不等位电势的补偿是该设计的两个主要需要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随温度变化而变化，因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。 1 系统设计框架 系统分为4个部分：1)霍尔元件的供电电路，由电压基准(电流基准)芯片为霍尔片提供工作电流； 2)霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场(该磁场由通电电流产生)转化为霍尔电压；3)放大电路，将微弱的霍尔电压进行放大；4)反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图1所示。 2 系统硬件电路设计 系统由±5 V的稳压源供电。用一片电压基准芯片REF3012为砷化镓系列的霍尔元件HW300B提供基准电压。HW300B是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，HW300B放在开有气隙的集磁环的气隙里，并用胶水加以固定(霍尔元件和集磁环相对位置如果发生变化，会影响产生的霍尔电势的大小)。霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调节1、8引脚之间的10 kΩ的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线圈末端放1个75 kΩ的精阻接地，可以通过测量精阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。其具体电路图如图2所示。 2．1 REF3012 以SOT23-3封装的REF3012是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，可以采用恒流源供电以减小其温度系数。在该系统设计中，REF3012的输入引脚1接+5 V电源，并接10μF的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。而其输出引脚2接到HW300B的引脚1，并且也接1O μF的旁路电容至地，GND(地)引脚3接地。由于系统设计要求REF3012为HW300B提供2．5 V的基准电压，根据REF3012的数据资料可知，当输入电压为5 V 时，输出电压为2．5 V，所以REF3012引脚1接+5 V电压。 2．2 霍尔元件 本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122～204mV，输入、输出阻抗为240～550 Ω，补偿电压为-7～7 mV，温度系数为-1．8％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出端。 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压 式中，S为乘积灵敏度，mV／(mT·mA)；Ic为工作电流，mA；B为磁感应强度，mT。 本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定，这样可以感应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1)中，当S与Ic一定，则Vh与B有直接线性关系。通电导体周围必然产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮BdI=μ0I0得：
霍尔电流传感器的应用场合 1、继电保护与测量：在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。 2、在直流自动控制调速系统中的应用：在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。 3、在逆变器中的应用：在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。 4、在不间断电源中的应用：在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，霍尔电流传感器2发出的信号控制逆变器，霍尔电流传感器3控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。 5、在电子点焊机中的应用：在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。 6、用于电车斩波器的控制：电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。 7、在交流变频调速电机中的应用：用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。 8、用于电能管理：霍尔电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。
一、霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理与使用方法 1．霍尔器件 霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控 制电流I C ，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势V H 。 如图1－1所示。 霍尔电势V H 的大小与控制电流I C 和磁通密度B的乘积成正比，即：V H ＝K H I C Bsin Θ 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。 通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。 2．霍尔直流检测原理 如图1－2所示。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔 器件输出的电压讯号U 0可以间接反映出被测电流I 1 的大小，即：I 1 ∝B 1 ∝U 我们把U 0定标为当被测电流I 1 为额定值时，U 等于50mV或100mV。这就制成 霍尔直接检测（无放大）电流传感器。
3．霍尔磁补偿原理 原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。霍尔磁补偿原理如图1－3所示。 从图1－3知道：Φ 1＝Φ 2 I 1N 1 ＝I 2 N 2 I 2＝N I /N 2 ·I 1 当补偿电流I 2流过测量电阻R M 时，在R M 两端转换成电压。做为传感器测量电 压U 0即：U ＝I 2 R M 按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A～500A系列规格的电流传感器。 由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。 4．磁补偿式电压传感器 为了测量mA级的小电流，根据Φ 1＝I 1 N 1 ，增加N 1 的匝数，同样可以获得高磁 通Φ 1 。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。 与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串 联一个限流电阻R 1，然后并联连接在被测电压U 1 上，得到与被测电压U 1 成比 例的电流I 1 ，如图1－4所示。
'4 &, ????????????FS500EK1 Hall-effect Current Sensor Series ??????????????????????????????????ф????????????ǎ Open loop current sensor based on the principle of Hall-effect. It can be used for measuring AC,DC,pulsed and mi. ?????1,+15V 2,-15V 3,V out 4,0V(???) OFS,????GIN,???? Elucidation: 1:+15V 2:–15V 3: VOUT 4:0V(GND) OFS:Zero adjustment GIN:Gain adjustment ????/Remarks 1???????????????ǎ????????????????????????????????????ǎ2???????????????????????ǎ 3??????????????К???????????ǎ·Incorrect connection may lead to the damage of the sensor. ·VOUT is positive when the IP flows in the direction of the arrow. ???/Electrical characteristics ??Type ?????К?? Primary nominal input current ???????? Measuring range of primary current ????????Nominal output voltage ???? Supply voltage ???? Current consumption ???? Insulation voltage ???Linearity ??????Offset voltage ?????Residual voltage ??????Thermal drift of V0???? Response time ????(-3dB) Frequency bandwidth(-3dB) ?????? Ambient operating temperature ?????? Ambient storage temperature ???? Load resistance ?юStandard FS050EK1FS100EK1 FS200EK1 FS300EK1FS400EK1 FS500EK1 50 100 200 300 400 5000～±100 0～±200 0～±400 0～±600 0～±800 0～±1000 4±1%±12～±15(±5%) V C =±15V <25 ??????????2 .5KV ???/50Hz/1?? <1 T A =25℃ I PN ? I P =0 T A =-25?+85? <±1 DC ?20-25?+85 .GI/FS-0105 -40?+100A A V V mA %FS mV mV mV/℃?V kHz ℃℃??????mm ?/Dimensions of drawing (mm) I PN I P V OUT V C I C V d ?L V 0V OM V OT Tr f T A T S R L 5 electronics
霍尔传感器使用说明书 简要说明： 一、长尺寸：32mm X宽11mm X高20mm 二、主要芯片：LM393、3144霍尔传感器 三、工作电压：直流5伏 四、特点： 1、具有信号输出指示。 2、单路信号输出。 3、输出有效信号为低电平。 4、灵敏度可调（精调）。 5、有磁场切割就有信号输出
6、电路板输出开关量！(可直接接单片机) 7、可用于电机测速/位置检测等场合 适用场合：单片机学习、电子竞赛、产品开发、毕业设计。。。 【图片展示】
【与单片机连接测试程序】
/******************************************************************** 汇诚科技 实现功能:此版配套测试程序 使用芯片：AT89S52 晶振：11.0592MHZ 波特率：9600 编译环境：Keil 作者：zhangxinchun 淘宝店：汇诚科技 【声明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！ *********************************************************************/ /******************************************************************** 说明：1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平 *********************************************************************/ #include
霍尔电流传感器及其应用 在现代社会中,信息化的需求越来越庞大，传感器在信息采集中发挥了重要作用。他们可以把各种物理信息，按照一定的规则，为可测量的电信号。我们所测量的电信号，以及相关物理信息的关系的变化的基础上，我们可以得到所测量的物理的变化或大小。 根据该传感器的工作原理，我们可以划分成多种类型的传感器，如光电传感器，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，谐振式传感器，电动化学式传感器等等。 霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理，（可以音乐会的物理信息），如电流，磁场，位移，压力等，为电动势输出。它属于电位型传感器。当前，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。这是由通过集成电路技术。因此，它不仅仅是一种集成电路，而是一种磁传感器。 本文根据实际应用，主要是霍尔电流传感器。 1 霍尔效应 在金属或半导体晶片放置在磁场中，并且如果有一个通过它的电流，会产生电动势，（在垂直方向上的电场和磁场，调用此种物理现象霍尔效应。） 在磁场中产生的洛伦兹力的作用下，通电的半导体芯片的载体，分别偏移积累到芯片的两侧，从而形成一个电场，称霍尔电场。霍尔电场产生的电场力，是相反的洛伦兹力，阻碍了继续堆积，直到（大厅）电场力和洛伦兹力。此时，芯片的两侧，将设置一个稳定的电压，这是霍尔电压。 2 霍尔电流传感器 随着城市人口和城市建设规模的扩大，以及各种电气设备的增加，功耗也越来越大。城市的供电设备经常超载，而电源环境越来越差，“测试”的权利越来越严重。因此电源问题越来越多的显现出来。现在，小功率电源设备已经越来越多的与新技术相结合。例如，开关电源，硬切换，软切换，参数稳压器，线性反馈稳压器，磁放大器技术，数控压力调节，PWM,,SPWM，电磁兼容等实际需求直接推动电源技术的发展和进步。为了检验并显示当前自动，自动保护功能和更先进的智能控制，过电流，过电压的危害。如发生时，电源技术与传感检测，传感采样，传感保护已成为一种趋势。传感器检测电流或电压，所谓的霍尔电流传感器应运而生，(并迅速成为最喜爱的设计师在我国的电源). 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，并且它是一种先进的电检测元件，它可以隔离主回路和电子控制电路。它有变压器和分流器的所有优点，并且在同一时间，克服了他们的缺点（变压器可以只施加的电源频率的测量，50赫兹，分流器是无法做隔离测量），使用同一个霍尔电流传感器模块检测元素，不仅可以测量AC,也可以检测直流，甚至可以检测瞬时峰值。它具有以下性能特点。 (1)测量任意波形的电流，如DC,AC乃至瞬态峰值参数测量的； (2)精度高。在工作区中的一般霍尔电流传感器模块的精度高于1%，并且是适用于任何波形测量精度； (3)线性度优于0.5%； (4)良好的动态性能。一般的电流传感器模块的动态响应时间小于7us，跟踪速度di|dt 是上述50A|us； (5)工作频段宽。它可以工作在频率范围从0到20KHZ非常好; (6)过载能力强。测量范围宽（0-10000A); (7)高可靠性。平均无故障工作是超过5*10000小时； (8)体积小，重量轻，易于安装系统，不会带来任何损失。
4.2.2霍尔传感器的测速电路设计 首先选定传感器，霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。 其次设计一个单片机小系统，利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。 再次实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。要求霍尔传感器转速为0～5000r/min。 霍尔测速模块论证与选择 采用霍尔传感器；选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10v,输出信号5v/25mA,电源为12~15v。体积大，价格一般为40~120元之间不等。性价比较高 计数器模块论证与选择 采用片内的计数器。其优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。 显示模块论证与选择 采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。 报警模块论证与选择 采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。 电源模块论证与选择 采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块。 该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。 单片机模块论证与选择 选用P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS ，引脚还可编程确定功能 选用51系列的单片机，是因为51的架构十分典型。而且： 1.价格便宜； 2.开发手段便宜； 3.自己动手焊接相对容易。 转速测量方案论证
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2.概述 2.1系统组成框图 系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。处理器采用AT89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。本课题采用的是以8051系列的A T89C51单片机为核心开发的霍尔传感器测转速的系统。系统硬件原理框图如图1所示： 图1 系统框图 2.2系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机AT89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。
2.2.1霍尔传感器 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为100KHz ，额定电压为5-30（V ）、检测距离为10（mm ）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V ，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N 极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm 处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.2.2转速测量原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、b 、d 。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d ）方向施加外磁场B ，在沿l 方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVB f = 式中：f —洛仑磁力， q —载流子电荷， V —载流子运动速度， B —磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， d —元件厚度，B —磁感应强度， I —控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B 反向时，霍尔电动势也反向。图2为霍耳元件的原理结构图。
霍尔电流传感器工作原理 1、直放式（开环）电流传感器（CS系列） 当原边电流I P流过一根长导线时，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，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。一般的额定输出标定为4V。 2、磁平衡式（闭环）电流传感器（CSM系列） 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流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，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 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，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。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。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 3、霍尔电压（闭环）传感器（VSM系列）
霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。 4、交流电流传感器（A-CS系列） 交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA（或4～20mA）的标准直流信号输出供各种系统使用。
第八章霍尔传感器 课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：12 教材分析 难点：开关型霍尔集成电路的特性 重点：霍尔传感器的应用 教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理； 2、了解霍尔集成电路的分类； 3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性； 4、掌握霍尔传感器的应用。 采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元 件、霍尔传感器 各教学环节和内容 演示1： 将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC门输出 端，正极接V cc端。在没有磁铁靠近时，OC门截止，蜂鸣 器不响。 当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，OC门导通， 蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例 如5mm）时，OC门再次截止，蜂鸣器停响。 演示2： 将一根导线穿过10A霍尔电流传感器的铁芯，通入0.1~1A电流，观察霍尔IC的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。 从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。 第一节霍尔元件的工作原理及特性 一、工作原理 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E H，这种现象称为霍尔效应（Hall Effect），该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Element）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）。
图8-1霍尔元件示意图 a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形霍尔属于四端元件： 其中一对（即a、b端）称为激励电流端，另外一对（即c、d端）称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。 由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势E H可用下式表示 E H=K H IB（8-1）式中K H——霍尔元件的灵敏度。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即B cosθ，这时的霍尔电动势为 E H=K H IB cosθ（8-2） 从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。 目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。 二、主要特性参数 （1）输入电阻R i恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流I ab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。 （2）最大激励电流I m激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 提问：霍尔原件的最大激励电流I m为宜。 A．0mA B．±0.1 mA C．±10mA D．100mA （4）最大磁感应强度B m磁感应强度超过B m时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，B m的数值一般小于零点几特斯拉。 提问：为保证测量精度，图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过为宜。 A．0T B．±0.10T C．±0.15T D．±100Gs
霍尔电流传感器的应用 霍尔电流传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。 1、继电保护与测量： 在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。 2、在直流自动控制调速系统中的应用： 在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。 3、在逆变器中的应用： 在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接测和交流测的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。 4、在不间断电源中的应用： 在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用①霍尔电流传感器发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，②霍尔电流传感器发出的信号控制逆变器，③
霍尔电流传感器控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。 5、在电子点焊机中的应用： 在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。 6、用于电车斩波器的控制： 电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。 7、在交流变频调速电机中的应用： 用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。 8、用于电能管理： 霍尔电流传感器可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发
霍尔电流传感器的种类及工作原理 1.简介 霍尔电流传感器可以分为很多种，如果按照原理可以分为开环霍尔电流传感器（Open Loop Hall Effect）和闭环霍尔电流传感器(Close Loop Hall Effect)。基于开环原理的电流传感器结构简单，可靠性好，过载能力强，体积较小，但也有很多缺点，如温度影响大，精度低，反应时间不够快，频带宽度窄等。而闭环霍尔电流传感器等特点是精度高，响应快，频带宽，但同时也有缺点，即过载能力差，体积较大，工艺比较复杂，同时价格也偏高。 1原理图如下： 开环原理霍尔电流传感器示意图 闭环原理霍尔电流传感器示意图 2 霍尔电流传感器的工作原理 霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。 1图片来自PAS 网站
2.1 电流传感 器的输出信号 2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。 2.2 电流传感器供电电压V A V A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V A又分为正极供电电压V A+和负极 供电电压V A-。要注意单相供电的传感器，其供电电压V Amin是双相供电电压V Amin 的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。 2.3 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I 。 2.4霍尔电流传感器工作原理 霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。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。 直放式电流传感器（开环式）：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。 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。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。）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 2董高峰《浅析霍尔电流传感器的应用》
1、开环（直放式）霍尔电流传感器 当原边电流I P流过一根长导线时，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，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件（如HG-302C）进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。一般的额定输出标定为4V。开环霍尔电流传感器的优点是结构简单，可靠性好，过载能力强，体积较小，开环式霍尔电流传感器一般线性度角差，且原边信号在上升和下降过程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。?一般开环电流传感器采用的霍尔是 HG-106A,HG-106C,HG-166A,HG-302A,HG-302C,HG-362A,SS495A,SS495A1。 2、闭环（磁平衡式）霍尔电流传感器 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流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，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件（如HW-300B,HW-302B）处于检测零磁通的工作状态。 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，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。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（HW-300B,HW-302B）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
霍尔电流传感器电源消耗电流计算方案 霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和无插入损耗等诸多优点，因而被广泛应用于变频器、逆变器、电源、电焊机、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的大电流、电压等各个领域中。霍尔传感器需用到直流电源供电才可正常工作，在做产品设计时需要考虑其功率消耗，本文基于传统的霍尔电流传感器，精确计算其电流消耗，并利用LTspice软件进行仿真，所推导的理论计算公式可为产品设计提供参考。 霍尔电流传感器工作原理 从工作原理上，霍尔电流传感器可以分为霍尔开环电流传感器和霍尔闭环电流传感器。 ●霍尔开环电流传感器 图1 霍尔开环电压传感器的工作原理 霍尔传感器的磁芯使用软磁材料，原边电流产生磁场通过磁芯聚磁，在磁芯切开一个均匀的切口，磁芯气隙处磁感应强度与原边电流成正比，霍尔元件两端感应到的霍尔电压的大小与原边电流及流过霍尔元件电流的乘积成正比，霍尔电压经过放大后作为传感器的输出。其输出关系式满足： VOUT=K*IP*IHall 其中K为固定的常数，其大小通常与磁芯的尺寸，材料性质，气隙开口的宽度，以及处理电路的放大倍数有关。 ●霍尔闭环电流传感器的工作原理： 闭环电流传感器在开环的基础上增加了反馈线圈，霍尔元件两端感应到的霍尔电流经过放大后控制后端的三极管电路产生补偿电流，补偿电路流过缠绕在磁芯上的线圈，产生的磁场与原边电流产生的磁场方向相反，当磁芯气隙处的磁场强度补偿为0时，传感器的输出满足IS=IP/KN,其中KN为补偿线圈的匝数。
图2 霍尔闭环电压传感器的工作原理 传感器的功耗计算 ●开环电流传感器的功耗计算 对于开环电流传感器，因为其输出信号为电压，所以其功耗相对较为稳定。通常霍尔电流传感器的电流设计为采用正负电源供电，其额定输出电压一般为几伏，一般不超过10伏。输出端对负载的要求一般为大于10KΩ，所以流过负载的电流一般小于1个mA。通常开环传感器的电流消耗小于15mA。电流消耗主要是霍尔元件消耗的电流，流入霍尔元件两端的电流通常要求小于20mA，LEM 的产品霍尔电流通常在10mA左右。另外在调压支路还有几mA的电流消耗。这样开环传感器的电流消耗可以维持在十几mA的水平内，通常说明书上标的都是不超过15mA。 ●闭环电流传感器的功耗计算 闭环传感器输出信号为电流，其功耗相对于开环传感器多很多，下面以LF 205-S为例来分析闭环电流传感器的电流消耗。 图3为LF 205-S的原理示意 图4为LF205-S原理图
霍尔传感器测量电路 咨尔元件的基本电路如图1所示。控制电流颠电源f供给，RE，为调节电阻， 调节控制电流的大小。程尔输出端接负载RF，RR可以是一般电阻，也可以是放大器 的 输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负裁上就有电压输出。在实际 使用时，J或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于J或B或两者的乘积。 内于建立霍尔效应所需的时间很短(10 很高(几千兆赫＞。 ＝、温度误差及其补偿 因此，拧制电流为交流时 (一)温度误差 档尔死件测量的关镀是霍尔效府，而霍尔元件是内半导体制成的，固半导体对温度 很敏 感，霍尔元件的载流于迁移率、屯阻率和霍尔系数都陨温度而变化，因而使霍尔元件 的特性参 数(如霍尔电势和输入、输出电阻等)成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。 [二)温度误差的补偿 为了减小霍尔元件的温度误差，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，可以来 用的补 偿方法柯许多种，常用的合以下方艾博希电子法：采用恒流源提供控制电流，选择合 理的负载电阻进行补
偿，利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿，也可以在输入凹路或输出回路中加入热敏 电阻进行温度误差的补偿。 采用温度补偿元件是一种最常见的补偿方法。图2所示为采用热敏电阻进行补偿 的几种补偿方法。图2(n)所示为输入回路补偿电路，锑化钥元件的霍d；输出随温度 升高 而减小的出素，被控制屯流的增加(热敏电阻的阻位随温度升高旧减小)所补偿。图2(b) 所示为输出回路补偿电路成载上得到的霍尔电势随温度J1高而减小的因素，被热敏电阻阻佰 减小所补偿。图2(c)所示为用正温度系数的热敏电阻进行补偿的电路。 在使用时，温度补偿元件最好和霍尔元件封在一起或靠证，使它们温度变化一致。 随着微电子技术的发展，日前霍尔元件多已集成化。集成霍尔九件有许多优点 小、灵敏度高、输出幅度大、NXP代理商温漂小且对电流稳定性要求低等。 集成霍尔元件可分为线性型和开关则两大类。前者是将霍尔冗件和恒流源、线性放大器 等做公‘个芯片卜，输出电压较高，使用非常方便，日前已得到广泛的应蝴，较典型的线性霍尔 元件有UGN35N等。八关型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、(xj门等电路 做在同一个心片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，()川1由高电阻状态变为 导通状
1、直放式(开环)电流传感器(CS系列) 当原边电流IP流过一根长导线时，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，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压VS精确的反映原边电流IP。一般的额定输出标定为4V。 2、磁平衡式(闭环)电流传感器(CSM系列) 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流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，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 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，
这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。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。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 3、霍尔电压(闭环)传感器(VSM系列) 霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。 4、交流电流传感器(A-CS系列) 交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA(或4～20mA)的标准直流信号输出供各种系统使用。