霍尔电流传感器

霍尔传感原理概述

霍尔电流传感器的工作原理是被测电流In流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Im流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Im即可精确反映原边电流In值。

流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。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。 

霍尔传感原理简述

 霍尔电流传感器的结构如图1 所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图1（a）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图1(b)所示的传感器用于检测较大的电流。
实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。

图1 霍尔电流传感器的构成原理

CSLA开环电流传感器设计

直接测量式霍尔电流传感器（也称直放式电流传感器）（开环式）：通过导线周围产生的磁场与流过电流成正比。该磁场经软磁材料聚集后，用霍尔器件来检测。由于它们有良好的线性，因此可用标定后的霍尔输出来测出电流的大小。

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。

将图1中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；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。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，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等。
这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家生产。

零磁通式霍尔电流传感器

磁平衡式电流传感器（闭环式）又称零磁通式霍尔电流传感器、反馈补偿式霍尔电流传感器，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。当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP。（其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数；NP/NS—匝数比，一般取NP=1。）

CSN闭环原理

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。

闭环传感器结构

如图2 所示，将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：Io=Is(N2/N1)(1)
式中，I1 为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1 为初级绕组的匝数，I2 为补偿绕组中的电流，N2为补偿绕组的匝数。由式（1）可知，达到磁平衡时，即可由Is 及匝数比N2/N1 得到Io。

图2 霍尔零磁通电流传感器

霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测影响。

霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz（通过仔细的设计和制作，甚至可以达到MHz 级）的各种波形的电流，响应时间可短到1μs 以下。

由于这些优点，霍尔电流传感器得到了极其广泛的应用。

近年来，自动化系统中大量使用大功率晶体管、整流器和可控硅，普遍采用交流变频调速及脉宽调制电路，使得电路中不再只是传统的50周的正弦波，出现了各种不同的波形。对于这类电路，采用传统的测量方法不能反应其真实波形，而且电流、电压检出元件也不适应中高频、高di/dt电流波形的传感和检测。

霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。针对霍尔效应传感器普遍存在温度漂移大的缺点，采用补偿电路进行控制，有效地减少了温度对测量精度的影响，确保测量准确；具有精度高、安装方便、售价低的特点。

霍尔效应传感器广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流电压的设施中。

电源技术发展到今天，已融合了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，我们有理由相信，在21世纪的电源技术中，传感器也将发挥着至关重要的作用，所以对电流传感器的应用和设计开发，传感器工作者应该给予足够重视。霍尔电流传感器因其型号多，量程宽（电流5~10000A；电压5~5000V）、高精度、灵敏度高、线性度好、规范、易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间MTBF长等优点，在各个领域特别是在机车牵引和工业应用领域中更值得用户信赖。

如图3所示，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，经三只霍尔电流传感器H（图中只画出B 相的一只），按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，送计算机进行测量或处理。使用霍尔电流传感器很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。

图3 霍尔电流传感器在继电保护与测量中的应用