霍尔电流传感器基本原理
霍尔电流传感器基本原理
霍尔电流传感器是一种基于霍尔效应的电流测量装置，广泛应用于各种电气设备中。本文将详细介绍霍尔效应的基本原理以及开环和闭环两种类型的霍尔电流传感器的工作原理、特点及应用。
1. 霍尔效应
霍尔效应是由带电粒子（如电子）在电场和磁场的相互作用下产生的现象。如图所示，在垂直方向磁场的作用下，给半导体元件加上恒定的电流，半导体中的空穴会受到洛伦兹力的作用，根据左手定则，空穴向垂直于磁场和电流方向的平面移动，而电子则向相反方向移动。从而在这两个平面上形成电场。用电压表可以测量出电场的强度。
霍尔电压（V_H）的大小，可按如下公式描述：
V_H = (IBq)/(nd)
其中，
- I为流过半导体元件电流大小
- B为垂直方向的磁感应强度
- q为载流子的电荷量，对于电子，其电荷量为-e（e为元电荷）
- n为载流子的密度
- d为半导体元件的厚度
从公式可知，在I，B，q，n一定的情况下，霍尔电压（V_H）的大小和磁感应强度B成正比例关系。
2. 霍尔电流传感器
1) 开环
原理：原边电流产生的磁通集中在磁芯中，并通过霍尔元件在气隙中进行检测。如下图所示。由于采用直接测量，因此也被称为开环电流传感器。
开环电流传感器使用最简单的霍尔效应，可提供体积小、重量轻、性价比最优的电流测量解决方案，同时功耗也非常低。
其中，
a) 磁芯的作用为增强磁感应强度。
b) 霍尔电压（V_H）经差分放大器放大后输出。
优点：
a) 可测量直流、交流和复杂电流波形，同时提供电气隔离。
b) 插入损耗非常低，由于磁芯磁化，产生的偏移（称为剩磁或磁偏移），初级电流过载很容易处理。
c) 成本低、体积小、重量轻和功耗低。
缺点：
开环电流传感器的局限性在于中等带宽和响应时间，温漂较大，以及对功率带宽的限制。
应用：
开环电流传感器可用于多种应用中，作为控制回路（例如电流、扭矩、力、速度或位置）的关键元件，或者驱动电流显示。
注意：
a) 图示中省略了通过半导体元件的恒流源。
b) 通往长直导线电流产生的磁感应强度可按如下公式计算：
B = (μ_0 I)/(2πr)
其中，
μ_0为真空磁导率，r为距离导线的距离，I为电流。可见，在距离一定的情况下，磁感应强度（B）和电流成正比。进而，结合1中公式，可知霍尔电压（V_H）与电流成正比。
2) 闭环
原边电流产生的磁场与副边线圈电流产生的互补磁场相平衡。霍尔元件与辅助电路产生副边补偿电流，精确地反映原边电流变化。如下图所示。换句话说，通过给线圈通电流在磁芯上产生一个抵消原边电流的磁场，使其总的磁场为0（霍尔电压（V_H）为0），这个时候通往线圈的电流强度和原边电流成一定的比例关系。
与开环电流传感器相比，霍尔闭环电流传感器（也称为霍尔效应 "补偿 "或 "零磁通 "传感器）具有一个补偿电路，可显著提高性能。
其中，
a) 补偿电流可通过电阻转换成电压输出，也可经长线传输（电流信号相比电压信号更适合），在终端转换为电压。
b) 补偿电流大小与原边电流成正比例关系。
优点：
a) 可测量直流、交流和复杂电流波形，同时确保电气隔离。
b) 精度和线性度非常好、温漂小、带宽宽、响应时间快。
c) 采用电流输出，易于长线传输，非常适合高噪声环境。
d) 插入损耗非常低。
缺点：
副边电流损耗大（必须提供补偿和偏置电流）、尺寸较大（在大电流传感器上更为明显）、结构比简单的开环设计更为昂贵，以及输出和副边线圈电阻上的内部压降导致输出电压有限。
应用：
闭环电流传感器非常适合高精度、宽带宽和快速响应时间的应用。它们通常用作控制回路关键元件的电流、扭矩、力、速度和/或位置控制，也可用于保护半导体器件。
注意：
参见开环电流传感器。
参考文档：
LEM相关文档，网址：Experts in current measurement | Current sensor manufacturer
总结，本文介绍了霍尔电流传感器基本原理。