霍爾電流傳感器的原理及應用

時間：2021-10-13

沈建偉

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：通過介紹開環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理，在此基礎上提出了一種可以輸出精準直流偏置電壓的直流霍爾電流傳感器電路，并通過試驗進行了驗證。

關鍵詞：霍爾傳感器；電流傳感器；直流霍爾

0 引言

近年來，霍爾電流傳感器產品因具有良好的精度及線性度、檢測電壓與輸出信號高度隔離、高可靠性、低功耗以及維修更換方便等優(yōu)點，廣泛應用于航空、航天、通信、儀表、冶金以及鐵路等**和民品領域。在很多應用中要求霍爾電流傳感器的零點輸出為基準的2.5V，即檢測電流為零時，傳感器輸出電壓為2.5V，當檢測電流為負方向時，傳感器輸出電壓為一個小于2.5V的電壓值，當檢測電流正方向時，傳感器輸出電壓為一個大于2.5V的電壓值，檢測電流與輸出電壓變化成線性關系。目前，常規(guī)的霍爾元件零點輸出電壓為供電電壓的一半，而很多霍爾電流傳感器的供電電壓不是精確的固定值，而是一個范圍，如4.5～5.5V等，這樣會導致霍爾電流傳感器的零點電壓輸出不穩(wěn)定，甚至**過規(guī)定值。

1 開環(huán)式霍爾電流傳感器

開環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1開環(huán)式霍爾電流傳感器原理框圖

根據安培定律，原邊被測電流I×N將產生與電流成正比的磁場B1，開口磁環(huán)氣隙內的磁敏芯片直接測量B的強弱，輸出霍爾電壓V，V經線性放大后輸出電壓信Uo。當被檢測電流為零時，開口磁環(huán)內零磁通，磁敏芯片的零點輸出電壓為供電電壓的一半，即V+/2，當有被檢測電流穿過開口磁環(huán)時，開口磁環(huán)氣隙內的霍爾芯片會檢測到磁環(huán)的磁通變化，將在零點電壓的基礎上輸出一個與磁通變化量成正比的電壓值，即：

OUT=V+/2+KΔV （1）

式中，OUT為磁敏芯片的輸出電壓，V+/2為零點輸出電壓，ΔV為磁敏芯片的靈敏度，即單位磁通變化引起的電壓變化量，K為通過外圍電阻調節(jié)的放大倍數。如圖1所示，當磁力線從磁敏芯片的正面垂直穿過時，芯片將輸出一個正向的變化量電壓，即ΔV＞0，反之則輸出負電壓變化量，即ΔV＜0。

當傳感器供電電壓為5V時，按照式（1），傳感器會輸出一個有2.5V偏置電壓且與電流成線性比例的電壓信號，但如果供電電壓不精確或者誤差范圍較大時，傳感器輸出電壓的直流偏置將不精確或相應地的誤差較大，如供電電壓為4.6V時，傳感器的零點偏置電壓將是2.3V，誤差太大。

目前，業(yè)界有精準直流偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器應用較少。常規(guī)做法是先隔離傳感器的直流偏置電壓，只輸出一個與原邊電流成線性關系的零偏置電壓信號，然后再使用運放加法器加上一個由基準穩(wěn)壓源得到的2.5V基準電壓信號，該實現方式電路相對復雜。

2安科瑞霍爾傳感器產品選型

2.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。

適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

圖5霍爾傳感器

2.2產品選型

2.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表1

2.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2

2.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

2.2.4直流漏電流傳感器

表4

5結論

本文通過使用簡單的電路結構將傳感器供電電壓先升壓后，穩(wěn)壓產生一個基準的穩(wěn)壓電壓給磁敏芯片供電，使得磁敏檢測電路產生一個精準的零點電壓。該霍爾電流傳感器具有結構簡單、成本低以及體積小的特點，可用于檢測高達數百安培的直流電流信號并隔離輸出一個有精準2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線性關系的電壓信號。

作者簡介：沈建偉，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為霍爾電流傳感器產品的研發(fā)與應用，

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