霍尔电压电流传感器的结构原理和应用

电压和电流霍尔传感器结构、原理及应用摘要：霍尔电压电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路和控制电路的电检测元件。霍尔电压电流传感器在近十几年的发展十分迅猛，广泛应用与汽车工业、工业控制、消费电子、逆变器、伺服电机、UPS电源等领域。本文简要的介绍了霍尔电压电流传感器的结构原理及其应用。受到示波器电流钳的启发，本文设计了一种简易的电流检测装置。关键词：霍尔效应、电流传感器、电压传感器、霍尔传感器InvestigationontheCharacterizationsandApplicationsofHallEffectCurrent&VoltageTransducerXUXinwei(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:Equippingwithadvancedelectricalspecifications,hallcurrent&voltagetransducerisadevelopedelectricaldetectingcomponentmixedwithgalvanicisolationbetweentheprimarycircuit(highpower)andthesecondarycircuit(electroniccircuit).Inthepastdecades,hallcurrent&voltagetransducerhasbeendevelopedconstantly,andwidelyappliedinautomobileindustry,industrialcontrol,consumerelectronics,powerinverter,servomotor,uninterruptedpowersupply.Inthispaper,thecharacteristicandapplicationofhallcurrent&voltagetransducerhasbeeninvestigated.Beinginspiredbyoscilloscopecurrentclamp,asimplifiedcurrentdetectiondevicehasbeendesigned.Keywords:Halleffect,Currenttransducer,Voltagetransducer,Hallsensor上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文1.引言霍尔电压电流传感器在近十几年的发展十分迅猛，广泛应用与汽车工业、工业控制、消费电子、逆变器、伺服电机、UPS电源等领域。霍尔传感器是一种磁性传感器，追踪溯源，磁性传感器大多都是以霍尔效应为理论基础。自霍尔效应在1879年被EdwinHerbertHall发现以来，已经发展了近两三个世纪，尤其近十几年来，由此衍生的霍尔传感技术产业发展更为迅猛，更为蓬勃。在电力电子系统中，安全性、稳定性和准确度是最重要的考虑因素。为了满足安全性和稳定性的要求，适当的电压和电流传感器被用来对电压和电流进行测量以实现故障保护和反馈调节。正是因为在电力电子系统中，随着高速全控型开关器件的诞生，和新型控制策略的应用，无论是控制电路中还是主电路中的电压和电流信号都不再是传统的50Hz正弦波，而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。针对这类系统中，电压和电流往往有很高时变性，即didt和dudt数值很大，非正弦，有直流成分等，显然传统的电流电压检测方法已经不能满足这些波形的控制和测量要求，霍尔电压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[1-3]。上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文2.霍尔效应霍尔效应由埃德温˙赫伯特·霍尔（EdwinHerbertHall）于1879年在马里兰州约翰霍普金斯大学攻读博士时发现。1879年埃德温·赫伯特·霍尔（EdwinHerbertHall）实验发现，将载电流导体置于磁场中时，会在垂直电流及磁场的方向上产生电压，此现象称之为霍尔效应（HallEffect）；而所生之电压则称为霍尔电压（HallPotentialDifference）。霍尔效应是指当固体导体有电流通过，且放置在一个磁场内，导体内的自由电子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压。由霍尔电压产生的电场力会平衡洛伦兹力，从而导体中的只有电子到达平衡。如图2-1所示,将载流导体或半导体板放在磁场中,使磁场方向垂直于电流方向,此时在导体板中运动的自由电子会收到洛伦兹力的作用，根据左手法则判断电子受力的方向，电子会集聚到金属板的a侧，同时会在b侧感应出正电荷。所以在导体板前后a和b两侧之间就会出现电势差HU，电势差在导体中产生一个电场E。当自由电子e上的电场力和洛伦兹力平衡的时候，即，ELFF(2-1)此时，自由电子不再偏移，输出的霍尔电压HU也保持稳定。这种现象是霍尔首先发现的,因此,称之为霍尔效应,板两侧形成的电势差称HU为霍尔电压。一般而言,半导体的霍尔效应比导体和电解液显著得多。霍尔的这一发现在当时震动了科学界,以至于许多科学家纷纷研究该领域。BUHIabe图2-1霍尔效应原理图上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文3.霍尔电压电流传感器霍尔电流传感器分为开环式（直测式）霍尔电流传感器和闭环式（磁平衡式）霍尔电流传感器，而霍尔电压传感器一般都采用磁平衡式即闭环式的结构。下文将对霍尔传感器的结构框图、工作原理和性能做详细分析和介绍。3.1霍尔传感器结构框图霍尔电压电流传感器一般由三个部分组成，包括霍尔元件、聚磁环和放大调理电路。其中，聚磁环包括磁性铁芯、一次侧线圈、二次侧线圈等结构，也就是图3-1中所示的产生交变磁场的模块。霍尔传感器的机构框图如下图3-1所示。供电电压由原边电流激发的交变磁场霍尔元件放大调理电路输入电压/电流图3-1霍尔电压电流传感器结构框图为了对霍尔传感器有一个更加详细的了解，本文在研究霍尔传感器之前，对实验室现有的一款有TOKEN公司生产的霍尔电流传感器进行了拆解，拆解图如3-2所示。可以看出，该传感器的外壳由厚厚的绝缘橡胶包裹而成，里面含有铜芯线圈，传感器的底部含有一快PCB，也就是信号放大和处理模块，上面布满了密密麻麻的元器件。图3-2霍尔电流传感器拆解图通过对一款现成的霍尔电流传感器的拆解，加深了对霍尔传感器的认识，也验证了霍尔传感器由霍尔元件、聚磁环和放大调理电路组成。下文分别对霍尔电流和霍尔电压传感器的工作原理做详细的介绍。上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文3.2霍尔电流传感器的结构和工作原理按照传感器输出电压/电流有有无闭环反馈，电流传感器可以分为磁平衡式（闭环）和直测式（开环）霍尔电流传感器。下文先介绍直测试传感器，原理图如3-3所示。变换磁场B原边电流Ip磁性/聚磁环霍尔元件放大电路输出电压Vout+Vc-Vc图3-3开环式霍尔电流传感器原理图当测量电流，也就是原边电流PI（PrimaryCurrent）流过一根长导线时，如图3-3所示。原边电流PI会在导线周围产生一个磁场，方向为顺时针方向，磁场B的大小与电流的大小成正比关系。由原边电流激发的磁场聚集在磁环内，通过气隙将磁场加到了霍尔元件上。此时，霍尔元件上会产生一个霍尔电压HU，该电压信号通过后级的放大电路和调理电路（图3-3中并未标出），输出一个与磁场B大小乘正比的电压outV，即poutIBV(3-1)普通的霍尔电流传感器的输出outV一般在0.5V到4.5V之间。开环霍尔电流传感器的缺点是它的测量范围即原边电流PI的取值和带宽（FrequencyBandwidth）等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔元件是磁场强度检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁场强大也随着增大，磁芯可能达到饱和。同时，随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。为了避免这些不良影响，可采取一些改进措施该，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料，制成多层磁芯，采用多个霍尔元件来进行检测等。但是，这就增加了制造的成本，且精度也不太理想。所以，磁平衡式的霍尔电压电流传感器就开始出现了。上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文如图3-4所示为闭环霍尔电流传感器的原理图。闭环霍尔电流传感器，也就是磁平衡式霍尔电流传感器，也称补偿式传感器，即原边电流PI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，其补偿电流SI精确的反映原边电流PI，即SSPPININ(3-2)(3-2)式中的SN指的是副边补偿线圈的匝数，PN指的是通过聚磁环的原边导线的匝数，通常1PN，则补偿电流，即输出电流等于PsSIIN(3-3)负反馈自动补偿式的电流传感器整个模型大致由磁芯（聚磁环）、霍尔元件、放大调理电路、副边补偿线圈、反馈环节和外部测量电阻组成。和开环式的霍尔电流传感器比较，可以发现，闭环式的在磁芯上头缠绕了匝数为SN的副边补偿线圈，并且在放大器的输出端接入了放大反馈调节。由图可知，传感器的输出为电流信号sI，在适用霍尔传感器的时候，我们必须再外接一个测量电阻mR,以此得到电压信号。磁芯霍尔元件副边补偿线圈副边电流Is+Vc-Vc输出电压、Vout测量电阻原边电流Ip运算放大器Rm图3-4闭环式霍尔电流传感器的原理图上图说是的闭环式霍尔电流传感器的具体工作过程为：当原边有一电流PI通过时，将在导线周围激发出一个磁场，聚磁环将大部分的磁能聚集在一起，将磁场垂直地加到霍尔元件上，由此产生一个微弱的霍尔电压HU。由于该霍尔电压的数值很小，需要通过放大上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文器放大后才能驱动后级的三极管。由于后级的开关管在集电极和发射机之间已经有正向电压，所以当放大后的霍尔电压加到基极上时，开关管导通，从后获得一个补偿电流sI。这一电流再通过匝数SN的副边补偿线圈产生磁场，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，使霍尔元件的输出电压HU逐渐减小。当SSPPININ时，sI不再增加，这时的霍尔元件起到指示零磁通的作用，此时可以通过sI的大小来测量PI的大小，即SSPPININ(3-4)3.3霍尔电压传感器的结构和工作原理霍尔电压传感器一般都采用磁平衡式（闭环式）结构，工作原理和霍尔闭环电流传感器类似。霍尔电压传感器的原理图如3-5所示，和霍尔电流传感器原理图3-4比较，可以看出，原边电流PI被移到了外边，由原边电压PV和限流电阻iR产生'PI。另外在霍尔电流传感器中原边线圈匝数PN一般都为1，而在霍尔电压传感器中原边线圈匝数'PN的值一般都很大。磁芯霍尔元件副边补偿线圈副边补偿电流/输出电流Is+Vc-Vc输出电压Vout0V原边电流Ip限流电阻Ri原边电压Vp原边线圈运算放大器测量电阻Rm限流电阻Ri图3-5闭环式霍尔电压传感器原理图图3-5所示磁平衡式霍尔电压传感器的工作原理为：原边电压通过原边电阻iR产生了原边电流'PI，'2PPiVIR(3-5)上海大学2014学年秋季学期研究生课程考试小论文原边电流'PI通过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，在磁环气隙中产生一个垂直于霍尔元件的磁场，此时霍尔元件输出霍尔电压HU，一下的工作方式就和霍尔闭环式电流传感器类似，不在此做详细说明。简要得讲就是，原边线圈产生的磁场B和由霍尔电压大小控制的补偿电流'SI流过副边补偿线圈所产生的相反磁场进行补偿，其补偿电流'SI精确反映原边电压PV的大小，即''SSPPININ(3-6)根据(3-5)和式(3-6)可得，原边电压PV，''22SSpiPiPINVRIRN(3-7)3.4一种霍尔电流传感器的介绍[12]为了对霍尔传感器有更加详细的了解，本文对市场上的一款常用霍尔电流传感器做详细介绍。选用的传感器为有LEM公司生产的LTS6-NP型霍尔电流闭环传感器，如图3-6所示