霍尔电流传感器基本原理

霍尔电流传感器基本原理

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/propor/article/details/145257183

霍尔电流传感器是一种广泛应用于各种电气设备中的重要电子元件。它基于霍尔效应原理，能够实现对电流的精确测量，同时提供电气隔离。本文将详细介绍霍尔电流传感器的基本原理，包括霍尔效应的物理现象、开环和闭环两种类型的工作原理、优缺点及应用。

1. 霍尔效应

霍尔效应是由带电粒子（如电子）在电场和磁场相互作用下产生的现象。当在垂直方向施加磁场，并给半导体元件加上恒定电流时，半导体中的空穴会受到洛伦兹力的作用。根据左手定则，空穴会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。这会在两个平面上形成电场，可以用电压表测量其强度。

霍尔电压的大小可以通过以下公式描述：

其中，

1. I为流过半导体元件的电流大小
2. B为垂直方向的磁感应强度
3. q为载流子的电荷量（对于电子，其电荷量为-e，e为元电荷）
4. n为载流子的密度
5. d为半导体元件的厚度

从公式可以看出，在I、B、q、n一定的情况下，霍尔电压的大小与磁感应强度B成正比例关系。

2. 霍尔电流传感器

1) 开环

开环霍尔电流传感器的工作原理是：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。由于采用直接测量方式，因此也被称为开环电流传感器。

其中，
a) 磁芯的作用是增强磁感应强度。
b) 霍尔电压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：

其中，
μ₀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，可知霍尔电压与电流成正比。

2) 闭环

闭环霍尔电流传感器的工作原理是：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。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。

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。