霍爾電流傳感器工作原理 霍爾電流傳感器應(yīng)用案例分析

一、引言

在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域，電流傳感器扮演著至關(guān)重要的角色。無(wú)論是電力系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制，還是控制電流的機(jī)器和設(shè)備，都離不開對(duì)電流的精確測(cè)量。其中，霍爾電流傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為了電流測(cè)量領(lǐng)域的重要工具。

二、霍爾效應(yīng)的基本原理

霍爾效應(yīng)是霍爾電流傳感器工作的基礎(chǔ)。當(dāng)電流通過(guò)一條導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與另一個(gè)導(dǎo)體相交時(shí)，會(huì)激發(fā)出一種電勢(shì)差（電壓），這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是電磁學(xué)中的一種重要現(xiàn)象，它揭示了電流、磁場(chǎng)和電勢(shì)差之間的內(nèi)在關(guān)系。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電流I通過(guò)一塊半導(dǎo)體材料時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)垂直于電流方向的電場(chǎng)E。這個(gè)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致載流子（電子或空穴）在材料內(nèi)部發(fā)生偏移，從而在材料的兩個(gè)側(cè)面產(chǎn)生電勢(shì)差VH。這個(gè)電勢(shì)差VH就被稱為霍爾電勢(shì)，它與電流I、磁場(chǎng)B以及半導(dǎo)體材料的特性（如霍爾系數(shù)K）有關(guān)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：VH = K * I * B。

三、霍爾電流傳感器的構(gòu)成與工作原理

霍爾電流傳感器主要由感應(yīng)電路、磁場(chǎng)引導(dǎo)裝置和電路處理器三部分組成。感應(yīng)電路是傳感器的核心部分，它通常由一塊帶有金屬接點(diǎn)的半導(dǎo)體芯片制成。磁場(chǎng)引導(dǎo)裝置負(fù)責(zé)調(diào)整被測(cè)電流引起的磁場(chǎng)，使其與感應(yīng)電路中的半導(dǎo)體芯片相交。電路處理器則負(fù)責(zé)讀取感應(yīng)電路輸出的電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成與測(cè)得的電流值成比例的數(shù)字信號(hào)。

當(dāng)待測(cè)電流通過(guò)磁場(chǎng)引導(dǎo)裝置時(shí)，它會(huì)在半導(dǎo)體芯片內(nèi)激發(fā)霍爾效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，使電子凝聚在芯片內(nèi)的一個(gè)邊緣位置。由于電子的凝聚，電子自旋方向則被改變。這種改變則引起了一種電勢(shì)差，即霍爾電勢(shì)。這個(gè)電勢(shì)差的大小與被測(cè)電流的大小成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小來(lái)間接測(cè)量被測(cè)電流的大小。

在實(shí)際應(yīng)用中，霍爾電流傳感器通常采用閉環(huán)式工作原理。這種原理基于磁平衡式霍爾原理，通過(guò)副邊補(bǔ)償繞組來(lái)保持磁平衡狀態(tài)。當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上。所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流。這個(gè)補(bǔ)償電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)。當(dāng)補(bǔ)償電流與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，霍爾器件的輸出逐漸減小至零。此時(shí)，補(bǔ)償電流的大小就精確地反映了被測(cè)電流的大小。

霍爾電流傳感器應(yīng)用案例分析

1、2D數(shù)字伺服閥控制器的設(shè)計(jì)中基于ACS712(CH701)電流采樣模塊的設(shè)計(jì)

圖1 2D數(shù)字閥電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制原理

電流采樣模塊設(shè)計(jì)

電流采樣一般采用的是在回路中串入電阻，利用安培定理，檢測(cè)電阻上的壓降來(lái)得到流過(guò)電阻的電流。采樣電阻比較精密，并且阻值比較小，一般為0.01～0.1Ω左右。由于被檢測(cè)的電流的幅值較大，所以所需要的采樣電阻的功率也較大，體積也較大。為了減小控制器的體積，本次設(shè)計(jì)采用的是ACS712(或國(guó)產(chǎn)芯片CH701)線性霍爾電流傳感器。傳感器的內(nèi)部集成有一個(gè)高精度、低偏置和線性的霍爾傳感器。當(dāng)霍爾傳感器檢測(cè)到由于銅導(dǎo)路徑電流流過(guò)而產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為成比例的電壓。采樣得到的輸出電壓，需要經(jīng)過(guò)放大器的變換，輸入到DSP的AD模塊。電流采樣模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)兩相電流的采樣，從而構(gòu)成電流閉環(huán)，提高控制的精度和響應(yīng)速度。

2、工頻風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能逆變電路中的電流檢測(cè)（霍爾電流傳感器ACS712/CH701應(yīng)用案例）

工頻風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能逆變電路中包括電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、充電電路、發(fā)電電路、控制電路、逆變電路、LED顯示電路、告警電路和輸出電路，發(fā)電電路將電能傳遞至充電電路，電流檢測(cè)電路和所述電壓檢測(cè)電路負(fù)責(zé)采集充電電路的電流和電壓，控制電路向充電電路雙向提供信號(hào)，充電電路向逆變電路提供電能，逆變電路向LED顯示電路、告警電路和輸出電路提供電壓，充電電路包括BUCK降壓電路、輔助電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路。

電壓檢測(cè)電路檢測(cè)從發(fā)電電路輸出的電壓，通過(guò)電阻Ra和電阻Rb1采集電壓，采集的電壓信號(hào)經(jīng)四路運(yùn)算放大器放大輸出至所述控制電路，四路運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M248DR，電流檢測(cè)電路采集來(lái)自發(fā)電電路的電流，IPO端口為電流檢測(cè)端口，將檢測(cè)到的電流輸入到控制器電路的I/O端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電流檢測(cè)電路采取的芯片型號(hào)為CH701，驅(qū)動(dòng)電路由控制電路通過(guò)I/O口輸出PWM信號(hào)，對(duì)MOS管進(jìn)行開/關(guān)控制。

3、霍爾電流傳感器ACS712/ACS724/CH701應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能光伏電路

電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路；

電流檢測(cè)電路由ACS712/20A芯片構(gòu)成（或采用國(guó)產(chǎn)芯片CH701)，芯片的7管腳接在所述主芯片的26端口，1管腳的第一引線接太陽(yáng)能電池板P1的1管腳，第二引線接電壓檢測(cè)電路，2管腳的接法與1管腳的接法相同，3管腳接所述MOS管的漏極，4管腳的接法同3管腳，5管腳接地，6管腳經(jīng)電容C9接地，8管腳接5V電壓且電壓處設(shè)置去耦電容C10，所述檢測(cè)電路由放大器U1A組成，通過(guò)采樣放大提供給所述主芯片，放大器U1A的1管腳接在所述主芯片的8管腳。

本方案基于BUCK電路的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤變換電路，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到蓄電池中，主芯片通過(guò)采集電路電壓、電流值，從而對(duì)PWM端口進(jìn)行控制，達(dá)到將光能儲(chǔ)存為電能的目的，光伏電池電壓較高，通過(guò)BUCK電路進(jìn)行降壓，然后再給蓄電池充電，電路中對(duì)最大功率跟蹤控制，可以實(shí)現(xiàn)能量變換的功率最大化；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和OLED顯示設(shè)備對(duì)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和反饋光伏板的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)光伏板異常運(yùn)行以及損壞時(shí)，能夠快速定位，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維護(hù)。

4、霍爾電流傳感器ACS712/CH701在電動(dòng)方向盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的應(yīng)用

霍爾電流傳感器IC通過(guò)霍爾效應(yīng)，檢測(cè)電流的大小，輸出一個(gè)以2 .5V為基準(zhǔn)的電壓值，Vout的電壓值通過(guò)高精度電阻分壓。經(jīng)過(guò)二極管后，進(jìn)入到主控芯片DSP的AD采集引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，二極管起到保護(hù)作用。

圖4 電流采樣及處理電路原理圖

本例中的電動(dòng)方向盤電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，電流保護(hù)就是過(guò)流保護(hù)，防止電流過(guò)大損壞元件而設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示，電流保護(hù)電路在永磁同步電機(jī)繞組中的電流峰值超出功率管MOSFET的額定電流時(shí)，即達(dá)到比較器LM339的設(shè)定值時(shí)，輸出低電平信號(hào)Fault信號(hào)給故障綜合電路，觸發(fā)產(chǎn)生高電平給三態(tài)輸出總線接收器，動(dòng)作輸出關(guān)斷信號(hào)，使功率開關(guān)關(guān)斷，從而保護(hù)了功率開關(guān)管，以免功率器件受到損壞。

四、霍爾電流傳感器的性能特點(diǎn)

霍爾電流傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其在電流測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。首先，它具有廣泛的測(cè)量范圍，可以測(cè)量從毫安級(jí)到數(shù)千安級(jí)的電流。其次，它的測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確反映電流的變化。此外，霍爾電流傳感器還具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得霍爾電流傳感器在電力系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，霍爾電流傳感器也存在一些局限性。例如，它對(duì)環(huán)境溫度的變化比較敏感，溫度漂移可能會(huì)影響測(cè)量精度。此外，由于半導(dǎo)體材料的特性限制，霍爾電流傳感器的測(cè)量范圍也受到一定限制。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求選擇合適的傳感器型號(hào)和參數(shù)設(shè)置。

五、霍爾電流傳感器的應(yīng)用案例

為了更好地理解霍爾電流傳感器的應(yīng)用，以下列舉幾個(gè)實(shí)際案例：

1. 光伏逆變器中的電流檢測(cè)：在光伏逆變器中，需要對(duì)光伏電池板輸出的電流進(jìn)行精確測(cè)量?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂许憫?yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足這一需求。通過(guò)將霍爾電流傳感器安裝在光伏逆變器的電流輸入端，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏電池板輸出的電流大小和方向，為逆變器的控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
2. 電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)：在電動(dòng)汽車中，電池管理系統(tǒng)需要對(duì)電池的充放電過(guò)程進(jìn)行精確控制。霍爾電流傳感器可以用于監(jiān)測(cè)電池的充放電電流大小和方向，以確保電池的安全運(yùn)行。通過(guò)將霍爾電流傳感器安裝在電池的正負(fù)極之間或充電回路上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的充放電狀態(tài)并做出相應(yīng)的控制策略。
3. 工業(yè)自動(dòng)化中的電機(jī)控制：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，電機(jī)控制是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)?；魻栯娏鱾鞲衅骺梢杂糜诒O(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載情況，為電機(jī)的控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)將霍爾電流傳感器安裝在電機(jī)的電源線路上或控制回路上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流大小和方向以及負(fù)載情況的變化趨勢(shì)，并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的控制策略以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制。

霍爾電流傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量電流的傳感器。它具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、電子、自動(dòng)化、能源等領(lǐng)域?；魻栃?yīng)是指當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料置于垂直于電流方向的磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)橫向電勢(shì)差的現(xiàn)象。這個(gè)電勢(shì)差被稱為霍爾電勢(shì)差，其大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流成正比?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1879年，由美國(guó)物理學(xué)家埃德溫·赫伯特·霍爾（Edwin Herbert Hall）首次發(fā)現(xiàn)。

隨著電子科技的不斷發(fā)展，霍爾電流傳感器技術(shù)也在不斷進(jìn)步。未來(lái)，霍爾電流傳感器將朝著更高精度、更快響應(yīng)速度、更寬測(cè)量范圍以及更好的環(huán)境適應(yīng)性等方向發(fā)展。同時(shí)，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，霍爾電流傳感器的性能將得到進(jìn)一步提升并拓展到更多領(lǐng)域的應(yīng)用中。