霍爾電流傳感器的原理

 

霍爾器件是一種采用半導體材料製成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控製電流IC，當有一磁場B穿過該器件感磁麵
，則在輸出端出現霍爾電勢VH。霍爾電勢VH的大小與控製電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即：VH=KHICBsinΘ。霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi是shi按an照zhao霍huo爾er效xiao應ying原yuan理li製zhi成cheng，對dui安an培pei定ding律lv加jia以yi應ying用yong，即ji在zai載zai流liu導dao體ti周zhou圍wei產chan生sheng一yi正zheng比bi於yu該gai電dian流liu的de磁ci場chang，而er霍huo爾er器qi件jian則ze用yong來lai測ce量liang這zhe一yi磁ci場chang。因yin此ci，使shi電dian流liu的de非fei接jie觸chu測ce量liang成cheng為wei可ke能neng。通tong過guo測ce量liang霍huo爾er電dian勢shi的de大da小xiao間jian接jie測ce量liang載zai流liu導dao體ti電dian流liu的de大da小xiao。因yin此ci，電dian流liu傳chuan感gan器qi經jing過guo了le電dian－磁－電的絕緣隔離轉換。

 

工作原理

 

1、 直放式（開環）電流傳感器（CS係列）

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

當原邊電流IP流liu過guo一yi根gen長chang導dao線xian時shi，在zai導dao線xian周zhou圍wei將jiang產chan生sheng一yi磁ci場chang
，這zhe一yi磁ci場chang的de大da小xiao與yu流liu過guo導dao線xian的de電dian流liu成cheng正zheng比bi
，產chan生sheng的de磁ci場chang聚ju集ji在zai磁ci環huan內nei，通tong過guo磁ci環huan氣qi隙xi中zhong霍huo爾er元yuan件jian進jin行xing測ce量liang並bing放fang大da輸shu出chu，其qi輸shu出chu電dian壓yaVS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標定為4V。

 

2、磁平衡式（閉環）電流傳感器（CSM係列）

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環處所產生的磁場通過一個次級線圈電流所產生的磁場進行補償，其補償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處於檢測零磁通的工作狀態。

 

具體工作過程為：當dang主zhu回hui路lu有you一yi電dian流liu通tong過guo時shi，在zai導dao線xian上shang產chan生sheng的de磁ci場chang被bei磁ci環huan聚ju集ji並bing感gan應ying到dao霍huo爾er器qi件jian上shang，所suo產chan生sheng的de信xin號hao輸shu出chu用yong於yu驅qu動dong功gong率lv管guan並bing使shi其qi導dao通tong，從cong而er獲huo得de一yi個ge補bu償chang電dian流liuIs。這(zhe)一(yi)電(dian)流(liu)再(zai)通(tong)過(guo)多(duo)匝(za)繞(rao)組(zu)產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)，該(gai)磁(ci)場(chang)與(yu)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)正(zheng)好(hao)相(xiang)反(fan)，因(yin)而(er)補(bu)償(chang)了(le)原(yuan)來(lai)的(de)磁(ci)場(chang)，使(shi)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)的(de)輸(shu)出(chu)逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)。當(dang)與(yu)Ip與匝數相乘所產生的磁場相等時，Is不再增加
，這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用
，此時可以通過Is來測試Ip。當Ip變(bian)化(hua)時(shi)，平(ping)衡(heng)受(shou)到(dao)破(po)壞(huai)
，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)有(you)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)，即(ji)重(zhong)複(fu)上(shang)述(shu)過(guo)程(cheng)重(zhong)新(xin)達(da)到(dao)平(ping)衡(heng)。被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)的(de)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)都(dou)會(hui)破(po)壞(huai)這(zhe)一(yi)平(ping)衡(heng)。一(yi)旦(dan)磁(ci)場(chang)失(shi)去(qu)平(ping)衡(heng)，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)就(jiu)有(you)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)。經(jing)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)後(hou)
，立(li)即(ji)就(jiu)有(you)相(xiang)應(ying)的(de)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)以(yi)對(dui)失(shi)衡(heng)的(de)磁(ci)場(chang)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。從(cong)磁(ci)場(chang)失(shi)衡(heng)到(dao)再(zai)次(ci)平(ping)衡(heng)，所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)理(li)論(lun)上(shang)不(bu)到(dao)1μs
，這是一個動態平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補償電流安匝數在任何時間都與初級被測電流的安匝數相等。

 

3

、霍爾電壓（閉環）傳感器（VSM係列）

 

 

霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環式電流傳感器相似
，也是以磁平衡方式工作的。原邊電壓VP通過限流電阻Ri產生電流，流過原邊線圈產生磁場
，聚集在磁環內，通過磁環氣隙中霍爾元件輸出信號控製的補償電流IS流過副邊線圈產生的磁場進行補償，其補償電流IS精確的反映原邊電壓VP。

 

4
、交流電流傳感器（A-CS係列）

 

交流電流傳感器主要測量交流信號燈電流。是將霍爾感應出的交流信號經過AC-DC及其他轉換，變為0～4V、0～20mA（或4～20mA）的標準直流信號輸出供各種係統使用。

 

工作過程

 

開kai環huan的de霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi采cai用yong的de是shi霍huo爾er直zhi放fang式shi原yuan理li，閉bi環huan的de霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi采cai用yong的de是shi磁ci平ping衡heng原yuan理li。所suo以yi閉bi環huan的de在zai響xiang應ying時shi間jian跟gen精jing度du上shang要yao比bi開kai環huan的de好hao很hen多duo。開kai環huan和he閉bi環huan都dou可ke以yi監jian測ce交jiao流liu電dian，一yi般ban開kai環huan的de適shi用yong於yu大da電dian流liu監jian測ce，閉bi環huan適shi用yong於yu小xiao電dian流liu監jian測ce。

 

開環式霍爾傳感器的工作過程：

 

原邊電流（Ip）通tong過guo一yi根gen導dao線xian時shi，在zai導dao線xian四si周zhou將jiang會hui產chan生sheng一yi個ge磁ci場chang，這zhe一yi磁ci場chang的de大da小xiao與yu流liu過guo導dao線xian的de電dian流liu成cheng正zheng比bi
，它ta能neng通tong過guo磁ci芯xin聚ju集ji感gan應ying到dao霍huo爾er器qi件jian上shang並bing使shi其qi有you一yi信xin號hao輸shu出chu。這zhe一yi信xin號hao經jing信xin號hao放fang大da器qi放fang大da後hou直zhi接jie輸shu出chu，霍huo爾er器qi件jian輸shu出chu的de信xin號hao準zhun確que反fan映ying了le原yuan邊bian電dian流liu的de輸shu出chu情qing況kuang。

 

優點：封裝尺寸小 ，測量範圍廣 ，重量輕
，低電源損耗
，無插損

 

閉環霍爾電流傳感器的工作過程：

 

當原邊電流IP產chan生sheng的de磁ci通tong通tong過guo磁ci芯xin集ji中zhong在zai磁ci路lu中zhong
，霍huo爾er器qi件jian固gu定ding在zai氣qi隙xi中zhong檢jian測ce磁ci通tong，通tong過guo繞rao在zai磁ci芯xin上shang的de多duo匝za線xian圈quan輸shu出chu反fan向xiang的de補bu償chang電dian流liu，用yong於yu抵di消xiao原yuan邊bian電dian流liu（IP）chanshengdecitong，shideciluzhongcitongshizhongbaochiweiling。huoerqijianhefuzhudianluchanshengdefubianbuchangdianliuzhunquefanyingleyuanbiandianliudedaxiao。jingguoteshudianludechuli，chuanganqideshuchuduannenggoushuchujingquefanyingyuanbiandianliudedianliubianhua。

 

霍爾傳感器的磁飽和問題

 

許(xu)多(duo)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)廠(chang)家(jia)在(zai)其(qi)技(ji)術(shu)資(zi)料(liao)的(de)也(ye)將(jiang)無(wu)磁(ci)飽(bao)和(he)作(zuo)為(wei)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)點(dian)來(lai)宣(xuan)傳(chuan)。霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)磁(ci)飽(bao)和(he)幾(ji)乎(hu)是(shi)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)自(zi)應(ying)用(yong)以(yi)來(lai)就(jiu)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)認(ren)可(ke)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)之(zhi)一(yi)。

 

事實是不是這樣呢？

 

事實上
，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會發生磁飽和！

 

1
、開環式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

 

下圖為所有高導磁材料的典型磁化曲線示意圖：

 

霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題

 

 

圖中
，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’aweibaohequ。zhongsuozhouqi，weilehuoqujiaohaodeceliangjieguo，bulunshikaihuanshihuoerdianliuchuanganqi，haishidiancishihuganqi，douhuijiangcihuaquxianzhongxianxingdujiaohaodeyiduanzuoweigongzuoqujian。huanyanzhi，zhiyaociganyingqiangduchaochuxianxingquyuyidingdefanwei，jiuhuifashengcibaohe。

 

與電磁式互感器相比，開環式霍爾電流傳感器磁飽和原因隻有一個，就是原邊電流足夠大。

 

不會因為電流頻率低導致磁飽和
，是霍爾電流傳感器的優點
，也是開環式霍爾電流傳感器磁飽和特點。

 

相比之下，電磁式互感器也有一個優點，就是二次負荷足夠小時，即便過載較多，也不會發生磁飽和。

 

2、閉環式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

 

kaihuanshihuoerdianliuchuanganqicibaohewentijiaojiandan

，xiangbizhixia，bihuanshihuoerdianliuchuanganqicibaohewentisihubukelijie，yinweibihuanshihuoerdianliuchuanganqizhengchanggongzuoshi
，cixinzhongdecitongweiling，lingcitongxia，ziranbuhuibaohe。

 

然而，這隻能將是在正常工作條件下！

 

事shi實shi上shang
，即ji便bian是shi電dian磁ci式shi電dian流liu互hu感gan器qi或huo開kai環huan式shi霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi磁ci飽bao和he問wen題ti都dou是shi發fa生sheng在zai過guo載zai，頻pin率lv過guo低di
，負fu荷he過guo大da等deng非fei正zheng常chang工gong作zuo條tiao件jian下xia
，正zheng常chang工gong作zuo條tiao件jian下xia
，都dou不bu會hui發fa生sheng磁ci飽bao和he！

 

從(cong)閉(bi)環(huan)式(shi)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)可(ke)知(zhi)，零(ling)磁(ci)通(tong)是(shi)建(jian)立(li)在(zai)副(fu)邊(bian)補(bu)償(chang)繞(rao)組(zu)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)可(ke)以(yi)抵(di)消(xiao)原(yuan)邊(bian)導(dao)體(ti)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)。那(na)麼(me)
，當(dang)閉(bi)環(huan)式(shi)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)不(bu)是(shi)任(ren)何(he)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)可(ke)以(yi)維(wei)持(chi)這(zhe)個(ge)零(ling)磁(ci)通(tong)呢(ne)？

 

顯然不是！

 

A、chuanganqiweigongdiandeqingkuangxia，fubianbuchangraozubuchanshengdianliu，cishi
，bihuanshihuoerdianliuchuanganqixiangdangyuyigekaihuanshihuoerdianliuchuanganqi，zhiyaoyuanbiandianliugouda
，jiuhuifashengcibaohe。

 

B、正zheng常chang供gong電dian，原yuan邊bian電dian流liu過guo大da。這zhe是shi因yin為wei二er次ci補bu償chang繞rao組zu可ke以yi產chan生sheng的de電dian流liu畢bi竟jing是shi有you限xian度du的de，當dang原yuan邊bian電dian流liu產chan生sheng的de磁ci場chang大da於yu副fu邊bian補bu償chang繞rao組zu能neng夠gou產chan生sheng的de最zui大da磁ci場chang時shi
，磁ci平ping衡heng被bei打da破po，磁ci芯xin中zhong有you磁ci場chang通tong過guo，原yuan邊bian電dian流liu繼ji續xu加jia大da時shi，磁ci芯xin中zhong磁ci場chang也ye隨sui著zhe增zeng大da，原yuan邊bian電dian流liu足zu夠gou大da時shi，閉bi環huan式shi霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi進jin入ru磁ci飽bao和he狀zhuang態tai！

 

與yu電dian磁ci式shi電dian流liu互hu感gan器qi及ji開kai環huan式shi霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi相xiang比bi，閉bi環huan式shi霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi磁ci飽bao和he現xian象xiang不bu易yi發fa生sheng，但dan不bu等deng於yu不bu會hui發fa生sheng
，使shi用yong不bu當dang或huo長chang時shi間jian過guo載zai
，也ye會hui發fa生sheng磁ci飽bao和he。

 

 

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