《霍尔电流传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《霍尔电流传感器（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、检测与转换技术论文题 目 霍尔电流传感器 学 号 姓 名 专业班级 学 院 指导教师 西北民族大学电气工程学院检测与转换技术1目录一、 引言2二 、工作原理22.1 霍尔效应22.1.1 霍尔效应原理22.1.2 霍尔效应的副效应42.1.3 霍尔效应的副效应的消除方法42.2 霍尔元件42.3 霍尔电路72.4 HEC 霍尔电流传感器的分类72.2.1 直放式电流传感器 （开环式 72.2.2 磁平衡式电流传感器（闭环式） 7三 、技术性能分析83.1 电流传感器特性参数83.2 HEC 霍尔公司各系列传感器对比 10四 、应用案例12五 、结束语13西北民族大学电气工程学院检测与转换技术2
2、一 引言近年来，随着科技的发展，各种用电设备增多，用电量越来越大，用电环境需求精密，对电流的检测要求日益严格，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、检测电流或电压的传感器，即霍尔感器便日益被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、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大电流、电压的各个领域中。二 工作原理2.1 霍尔效应 2.1.1 霍尔效应原理将一块半导体或导体材料，沿 Z 方向加以磁场 Bv，沿 X 方向通以工作电流I，则在 Y 方向产生出电动势 HV，如图 1 所
3、示，这现象称为霍尔效应。 HV称为霍尔电压。+ +-VHEHeFmFb Id BABZXY+ +- VHEHFmFeBb Id AB(a) (b)图 1 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差 HV与电流强度 I 和磁感应强度 B 成正比，与板的厚度 d 成反比，即IBRVH(1)或 K (2)式（1）中 称为霍尔系数，式（2）中 HK称为霍尔元件的灵敏度，单位为 mv / (mAT)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。如图 1（a）所示，一快
4、长为 l、宽为 b、厚为 d 的 N 型单晶薄片，置于沿Z 轴方向的磁场 Bv中，在 X 轴方向通以电流 I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为jeVBVqFmvv(3)西北民族大学电气工程学院检测与转换技术3式中 Vv为电子的漂移运动速度，其方向沿 X 轴的负方向。 e 为电子的电荷量。 mF指向 Y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向 A 侧面积聚，同时在B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿 Y 轴负方向上的横向电场 HE（即霍尔电场） ，使运动电子受到一个沿 Y 轴正方向的电场力 eFv，A、B 面之间的电位差为 H（即霍尔电压） ，则 jbVejEeqFHHe vv
5、v(4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 0emjbVjeBHv即 得 H (5)此时 B 端电位高于 A 端电位。若 N 型单晶中的电子浓度为 n，则流过样片横截面的电流I=nebdV得 nebdV(6)将(6)式代入(5)式得 IBKRIBHH1(7)2.1.2 霍尔效应的副效应在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度，这些副效应是：1. 不等位效应由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流 IH 流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差 U。显然，U0 只与电流 IC 有关，而与磁场无关。2. 埃廷豪森
6、效应（Etinghausen effect）由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压 UE，UE 的正负与 IH、B 的方向有关。3. 能斯特效应（Nernst effect）由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压 UN。UN 的正负仅取决于磁场的方向。4. 里纪-勒杜克效应（R
7、ighi-Leduc effect）西北民族大学电气工程学院检测与转换技术4由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压 URL，URL 的正、负只与 B 的方向有关，和电流 IH 的方向无关。2.1.3 霍尔效应的副效应的消除方法由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压 UH，也包括U0、UE、UN 和 URL 等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这些附加电压与电流 IH 和磁感应强度 B 的方向有关，测量时改变 IH 和 B 的方向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下：当（+B，+
8、IH）时测量，U1UHU0UEUNURL （1）当（+B，-IH）时测量，U2UHU0UEUNURL（2）当（-B，-IH）时测量，U3UHU0+UEUNURL （3）当（-B，+IH）时测量，U4UHU0UEUNURL（4）式（1）（2）（3）（4）并取平均值，则得这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电压全部被消除了。但因 UEUH，故可将上式写为 2.2 霍尔元件 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。InSb 和 GaAs 霍尔元件输出特性见图 2(a)、图 2（b）西北民族
9、大学电气工程学院检测与转换技术5图 2 霍尔元件的结构和输出特性2.3 霍尔电路 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B 成比例，它的功能框图和输出特性示于图 3 和图 4。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测霍尔线性路的性能。电参数见表 3图 3 霍尔线性电路的功能框图图 4 霍尔线性电路 ugn3501 的磁电转换特性曲线西北民族大学电气工程学院检测与转换技术62.4 HEC 霍尔电流传感器的分类霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。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）
10、和放大电路等组成。 HEC 的 A B C XL 几个系列的传感器属于该类型2.2.1 直放式电流传感器（开环式） 众所周知，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。HEC 的 A B C XL 几个系列的传感器属于该类型。2.2.2 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。 磁
11、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 与匝数相乘 所产生的磁场相等时，Is 不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此 时可以通过 Is来平衡。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
12、次平衡，所需的时间理论上不到 1s，这是一个动态平衡的过程。HEC 的 D E 两个个系列的传感器属于该类型。西北民族大学电气工程学院检测与转换技术7三 技术性能分析3.1 电流传感器特性参数1、标准额定值 IPN 和额定输出电流 ISNIPN 指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN 的大小与传感器产品的型号有关。ISN 指电流传感器额定输出电流，一般为100400mA，某些型号可能会有所不同。2、传感器供电电压 VAVA 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 VA 又分为正极
13、供电电压 VA+和负极供电电压 VA-。3、测量范围 Ipmax(1)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 IPN。(2)要注意单相供电的传感器，其供电电压 VAmin 是双相供电电压 VAmin的 2 倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。 4、过载发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。5、精度霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流 IPN。在+25时，传感器测量精度受原边电流影响。计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移
14、的影响。(1) 偏移电流 ISO偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在 25，IP=0 时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。(2) 线性度线性度决定了传感器输出信号（副边电流 IS）与输入信号（原边电流 IP）在测量范围内成正比的程度，(3).温度漂移偏移电流 ISO 是在 25时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO 会产生变化。因此，考虑偏移电流 ISO 的最大变化是很重要的。6、抗干扰性(1)电磁场西北民族大学电气工程学院检测与转换技术8闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感是否受外部电磁场干扰。传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；外部导线与传感器的距
