霍尔传感器.docx

霍尔传感器.docx

《霍尔传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《霍尔传感器.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

霍尔传感器

霍尔传感器

学院：

机械工程学院

班级：

12010123

学号：

1201012333

姓名：

刘永超

摘要

随着新器件和新的控制技术的使用,控制系统中的电流信号不再局限于传统的50Hz正弦波,而可能是各种形状复杂的脉动信号,且主电路和控制回路之间要隔离。

传统的电流检测方法已经不能满足这些波形的控制和测量要求,因此必须结合实际需求研究和开发新的电流测量方法和检测设备,其中霍尔电流传感器正是在此背景下诞生的一种性能优越的电流测量装置。

本文以HEC公司的产品为主线，介绍霍尔电流传感器原理,并对HEC各型号的电流传感器的主要性能作了一定的分析，并且列举了霍尔电流传感器的具体应用实例。

关键词：

霍尔效应霍尔电流传感器车载应用

1.工作原理

1.1霍尔效应

1.1.1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

，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势

，如图1所示，这现象称为霍尔效应。

称为霍尔电压。

（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

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

（1）

或

（2）

式

（1）中

称为霍尔系数，式

（2）中

称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/（mA·T）。

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

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

（3）

式中

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。

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

（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力

，A、B面之间的电位差为

（即霍尔电压），则

（4）

将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有

即

得

（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

（6）

将（6）式代入（5）式得

（7）

1.1.2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I,C有关，而与磁场无关。

2.埃廷豪森效应（Etinghauseneffect）

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（Nernsteffect）

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（Righi-Leduceffect）

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。

1.1.3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，+IH）时测量，U1＝UH＋U0＋UE＋UN＋URL

（1）

当（+B，-IH）时测量，U2＝－UH－U0－UE＋UN＋URL

（2）

当（-B，-IH）时测量，U3＝UH－U0+UE－UN－URL（3）

当（-B，+IH）时测量，U4＝－UH＋U0－UE－UN－URL（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UE＜＜UH，故可将上式写为

1.2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）.

图2霍尔元件的结构和输出特性

1.3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。

霍尔线性电路的性能参数见表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

1.4HEC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）和放大电路等组成。

HEC的ABCXL几个系列的传感器属于该类型

1.4.1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ABCXL几个系列的传感器属于该类型。

1.4.2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。

HEC的DE两个个系列的传感器属于该类型。

2.技术性能分析

2.1电流传感器特性参数

1、标准额定值IPN和额定输出电流ISN

IPN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100~400mA，某些型号可能会有所不同。

2、传感器供电电压VA

VA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

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。

<1>传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；

<2>外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；

<3>安装传感器所使用的材料有无磁性；

<4>所使用的电流传感器是否屏蔽；

为了尽量减小外部电磁场的干扰，最好按安装指南安装传感器。

（2）电磁兼容性

电磁兼容性EMC，（Electro-MagneticCompatibility）是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科。

空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。

由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容性检测的电流

和电压传感器已形成共识，并已成为一个强制性标准。

2.2HEC霍尔公司各系列传感器对比

D系列电流传感器　

电器特性

规格型号

HEC400-D2（1:

2000,±15）

额定电流

400A

线性范围

±500A

转换率

1：

2000

精度

0.5%

线性度

±0.1%

失调电流

±0.2mA（最大值）

温度漂移

±0.5mA（最大值）-35～70℃

反应时间

＜1μSdi/dt≥100A/μS

频带宽度

0～100KHz

线圈内阻

32Ω在70℃

供电电源

±15V（±5%）

消耗电流

10mA＋输出电流

绝缘电压

3KVAC50Hz1分钟

使用温度

-35℃～+70℃

贮存温度

-55℃～+85℃

外形结构及安装图：

应用特性

用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边之间高度绝缘。

耗电省，穿孔结构，无插入损耗。

抗干扰能力强，耐电流过载冲击。

应用领域

变频器、电源装置、通信电源、UPS电源、电力机车、电焊机

E系列电流传感器　

电器特性：

规格型号

HEC50-E3

HEC100-E3

额定电流

50A

100A

线性范围

±70A

±150A

转换率

1：

1000

1：

2000

线性度

±0.1%

输出精度

±0.5%

失调电流

±0.2mA

温度漂移

±0.25mA（Max）0～70℃

反应时间

＜1μSdi/dt=100A/μS

频带宽度

0～150KHz

供电电源

±12V、±15V（±5%）

消耗电流

10mA＋输出电流

绝缘电压

3KVAC50Hz1分钟

使用温度

-40℃～+85℃

贮存温度

-45℃～+90℃

外形结构及安装图：

应用特性

用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边之间高度绝缘。

外壳符合UL94-V0标准。

PCB板安装。

体积小、重量轻、耗电省，穿孔结构，无插入损耗。

应用领域

变频器、电源装置、通信电源、UPS电源、电焊机

A系列电流传感器　

 电器特性：

规格型号

HEC50-A1

HEC100-A1

HEC200-A1

HEC300-A1

HEC400-A1

HEC500-A1

HEC600-A1

额定电流

50A

100A

200A

300A

400A

500A

600A

线性范围

100

180

1.5倍额定电流

输出电压

4V、5V

输出精度

±1%

失调电压

±25mV

±20mV

磁滞误差

±10mV

温度漂移

0.025%/℃

反应时间

＜10μSdi/dt=50A/μS

供电电源

±12V、±15V（±5%）

消耗电流

25mA

绝缘电压

3KVAC50Hz1分钟

使用温度

-10℃～+80℃

贮存温度

-25℃～+85℃

外形结构及安装图：

接线方法：

1、+15V2、-15V3、Vout4、0V

当原边电流沿传感器箭头方向流动时，在输出端获得同相电压。

应用特性：

用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边之间高度绝缘。

外壳符合UL94-V0标准。

盘式安装。

体积小、重量轻、耗电省，穿孔结构，无插入损耗。

应用领域：

变频器、电源装置、通信电源、UPS电源、电焊机

3.应用案例——D系列闭环型霍尔电流传感器在车载电源系统中的应用

地面车用电源系统（以下简称电源系统）的输出电流的检测与控制，直接决定了电源系统工作的稳定性和可靠性，从而会影响车辆用电负载的运行状况及车辆的可操作性。

由于车用电源的负载常常因为车辆复杂的使用条件而导致负载变化较大，随之电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载而发热，影响其功率输出，更严重情况下会导致电源永久失效。

HEC公司d系列闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，即传感器的输出信号与电源的输出电流电气隔离，有利于传感器输出信号调整处理，通过调整、设定该信号并反馈控制电源系统的输出电流，当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不在增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护电源系统不会因用电负载的变化而损坏。

某型地面车辆装备了一套独立的大功率发电系统，在该车辆发电系统中设计选用了HEC-D1闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作用是隔离检测发电系统的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。

闭环霍尔电流传感器HEC-D1的应用，很好的实现了上述应用目的。

通过设置传感器HEC-D1的输出信号，对发电机D1的输出电流加以限制，避免出现发电机的输出功率过高而发生故障或损坏，保证发电系统的正常工作。

经过测试，该传感器的性能能够满足车用发电系统对电流检测的需要，该设计已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。

结束语

在城市用电设备增多，农村供电设备老化欠修的情况下，城乡各地经常会出现电压不稳，电路短路，过流等现象，结果造成人民生活不便和仪器损坏。

子啊电源技术中使用传感器检测功能可以使电源设备更加小型化，智能化和安全化，而霍尔传感器凭着自身的优越性，在电子，功率集成，自动控制，材料，传感，计算机等等领域取得了卓越的成就，所以对其应用刚和技术开发，工作者们应该给予足够重视，相信在未来霍尔传感器一定能够继续发挥其重要作用，造福人类。