閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理

自1879年美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現霍爾效應以來(lái)，霍爾技術(shù)被越來(lái)越多地應用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，由霍爾器件應用開(kāi)發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有了很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大地擴展了該項技術(shù)的應用領(lǐng)域。

霍爾效應及霍爾器件

霍爾效應是霍爾技術(shù)應用的理論基礎，當通有小電流的半導體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)（如圖1），半導體內的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉，使半導體兩側產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓VH，VH與磁感應強度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過(guò)理論推算有式（1）關(guān)系。

VH=（RH/d）×B×IC（1）

式中：B為磁感應強度；IC為控制電流；RH為霍爾系數；d為半導體厚度。

式（1）中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過(guò)測量霍爾電壓推算出磁感應強度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號的聯(lián)系。根據這一關(guān)系式，人們研制出了用于測量磁場(chǎng)的半導體器件，即霍爾器件。

 
圖1:霍爾效應原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式（或稱(chēng)霍爾磁補償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當電流流過(guò)一根導線(xiàn)時(shí)，將在導線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導線(xiàn)的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線(xiàn)形關(guān)系，因此，可利用霍爾器件測得的輸出信號，直接反映出導線(xiàn)中的電流大小，即

I∝B∝VH（2）

式中：I為通過(guò)導線(xiàn)的電流；B為導線(xiàn)通電流后產(chǎn)生的磁感應強度。

當選擇適當的比例系數后，上述關(guān)系可以表示為等式。

對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設計了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為開(kāi)環(huán)（或稱(chēng)直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類(lèi)為閉環(huán)（或稱(chēng)零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

針對霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾器件的輸出電壓用運算放大器直接進(jìn)行信號放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來(lái)標定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱(chēng)為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對較低；其缺點(diǎn)是其精度、線(xiàn)性度較差，響應時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為了克服開(kāi)環(huán)傳感器的不足，上世紀80年代末期，國外出現了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京七○一廠(chǎng)引進(jìn)國外技術(shù)在國內率先開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，這種傳感器在國內逐漸為廣大用戶(hù)了解和應用。

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的（如圖2），即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線(xiàn)圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達到平衡時(shí)，即

N1×IN=N2×IM（3）

式中：N1為原邊線(xiàn)圈的匝數；N2為副邊線(xiàn)圈的匝數。

由式（3）可以看出，當已知傳感器原邊和副邊線(xiàn)圈匝數時(shí)，通過(guò)測量副邊補償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現了原邊電流的隔離測量。

 
圖2:閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

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閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能

閉環(huán)霍爾電流傳感器是近10年來(lái)出現的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)與傳統的分流器或互感器的電流測量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：

1） 可以同時(shí)測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；

2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～12kV；

3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA～50kA電流；

4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；

5）線(xiàn)性度優(yōu)于0.1％IN；

6）響應時(shí)間<1μs；

7）頻率響應0～100kHz。

傳感器在車(chē)用電源系統中的應用

閉環(huán)霍爾電流傳感器的應用范圍很廣，目前已成功地應用于逆變焊機，發(fā)電及輸變電設備，電氣傳動(dòng)，數控機床等工業(yè)產(chǎn)品上。表1以額定電流為300A的CHB－300S型霍爾電流傳感器為例，說(shuō)明這種傳感器的應用。

在某型地面車(chē)輛上裝備了一套獨立的大功率發(fā)電系統，該發(fā)電系統設計選用了CHB－300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統電流檢測部件，通過(guò)對傳感器的輸出信號進(jìn)行處理，設定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系統的輸出功率不高于發(fā)電機的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB－300S的應用，很好地實(shí)現了上述應用目的。如圖3所示，發(fā)電機G輸出正端匯流母線(xiàn)穿過(guò)CHB－300S/SP1的原邊電流穿孔，由傳感器CHB－300S/SP1檢測發(fā)電機的輸出電流，傳感器的輸出IM與發(fā)電機控制盒相連，由發(fā)電機控制盒設定發(fā)電機的輸出電流控制點(diǎn)，依據此信號，對發(fā)電機的輸出電流加以限制，避免發(fā)電機因輸出功率過(guò)高而發(fā)生故障或損壞，從而保證發(fā)電系統正常工作。

 
圖3：CHB－300S傳感器的應用

結語(yǔ)

該傳感器能夠滿(mǎn)足車(chē)用發(fā)電系統對電流檢測的技術(shù)要求，已在多套地面車(chē)輛的發(fā)電系統中應用，并按相關(guān)標準進(jìn)行了實(shí)驗測試，測試結果受到專(zhuān)家的肯定。