霍爾傳感器的應用

霍爾傳感器的應用

摘要：介紹了閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理及在地面車用電源系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了
對車用電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測量、控制，解決了地面車輛的大功率發(fā)電系統(tǒng)的限流保護
問題。

??? 關鍵詞：閉環(huán)；霍爾電流傳感器；車用電源；應用1 引言地面車用電源系統(tǒng)（以下簡稱
電源系統(tǒng)）輸出電流的檢測與控制，直接關系著電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，并影響車
輛的運行狀況及車輛的可* 作性。由于車輛復雜的使用條件導致車用電源的負載變化較大，
隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對電源的輸出電流不加限制，會造成電源因過載
而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴重情況下會導致電源永久失效。

??? 閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡稱傳感器）在車用電源系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了對電源系統(tǒng)
輸出電流的隔離測量，并通過反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流。當電源的輸出電流接近電源系
統(tǒng)的設計功率輸出時，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護了
電源系統(tǒng)不會因用電負載的變化而損壞。

??? 2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理自1879年美國物理學家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應
以來，霍爾技術被越來越多地應用于工業(yè)控制的各個領域。隨著元器件工藝技術的發(fā)展，由
霍爾器件應用開發(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的應用領域。

??? 2.1 霍爾效應及霍爾器件霍爾效應是霍爾技術應用的理論基礎，當通有小電流的半導體
薄片置于磁場中時，半導體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導體兩側(cè)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)過理論推算有式
（1 ）關系。

??? 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(shù)；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，可通過測量霍爾電壓推算出磁感
應強度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯(lián)系。根據(jù)這一關系式，人們研制出了用于測
量磁場的半導體器件，即霍爾器件。

??? 2.2 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（或稱霍爾磁補償式、霍
爾零磁通式）。眾所周知，當電流流過一根導線時，將在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與
流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，
由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關系，因此，可利用霍爾器件測得
的輸出信號，直接反映出導線中的電流大小，即I ∝B ∝VH（2 ）

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

??? 當選擇適當?shù)谋壤禂?shù)后，上述關系可以表示為等式。

??? 對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設計了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一
類為開環(huán)（或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、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行信號放大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標定原邊
被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)
點是電路形式簡單，成本相對較低；其缺點是其精度、線性度較差，響應時間較慢，溫度漂
移較大。為了克服開環(huán)傳感器的不足，上世紀80年代末期，便出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。

??? 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場，通過
一個副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場進行補償，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)生的磁場在磁芯中達到平衡時，即N1×IN=N2 ×IM（3 ）

??? 式中：N1為原邊線圈的匝數(shù)；N2為副邊線圈的匝數(shù)。

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

??? 3 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年來出現(xiàn)的高技術模塊化
產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測量方法
相比亦有許多優(yōu)點。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點：1 ）可以同時測量任意波形電流，
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 ）線性度優(yōu)于0.1 ％IN；6 ）響應時間<1μs ；7 ）頻率響應0 ～100kHz. 4 傳感
器在車用電源系統(tǒng)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，數(shù)控機床等工業(yè)產(chǎn)品上。我們假以南京中旭的額定電
流為300A的HNC-300S型霍爾電流傳感器為例，說明這種傳感器的應用（傳感器電參數(shù)略）。
在某型地面車輛上裝備了一套獨立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)設計選用了HNC －300S型
閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測部件，通過對傳感器的輸出信號進行處理，設定限流
工作點，確保發(fā)電系統(tǒng)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HNC －300S
的應用，很好地實現(xiàn)了上述應用目的。

??? 當發(fā)電機G 輸出正端匯流母線穿過HNC －300S的原邊電流穿孔，由傳感器HNC －300S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，依據(jù)此信號，對發(fā)電機的輸出電流加以限制，避免發(fā)電機因輸出功率過高
而發(fā)生故障或損壞，從而保證發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

??? 5 結(jié)語該傳感器能夠滿足車用發(fā)電系統(tǒng)對電流檢測的技術要求，已在多套地面車輛的發(fā)
電系統(tǒng)中應用，并按相關標準進行了實驗測試，測試結(jié)果受到專家的肯定。