霍尔元件如何实现电流的精确测量？

摘要： 霍尔元件是一种基于霍尔效应的传感器，广泛应用于测量电流，以下是关于如何利用霍尔元件来测量电流的详细解释：一、霍尔效应原理当一块通有电流I的半导体或导体平板置于Z方向的磁场中时，电子...

霍尔元件是一种基于霍尔效应的传感器，广泛应用于测量电流，以下是关于如何利用霍尔元件来测量电流的详细解释：

一、霍尔效应原理

当一块通有电流I的半导体或导体平板置于Z方向的磁场中时，电子受到洛伦兹力的作用而向一侧偏转，导致在垂直于电流和磁场的方向上产生电压差，即霍尔电压UH，这个电压差与通过导体的电流I和磁感应强度B成正比，即UH = KHICBsinΘ，其中K为霍尔系数，由霍尔元件的材料决定；I为控制电流；B为磁感应强度；VH为霍尔电势。

二、霍尔电流传感器的工作原理

霍尔电流传感器是按照霍尔效应原理制成的，对安培定律加以应用，当电流通过载流导体时，会在其周围产生一个正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，从而间接测量电流的大小。

三、霍尔电流传感器的类型

根据测量方式的不同，霍尔电流传感器可分为直检式（开环式）和闭环式（零磁通式、磁平衡式）两种。

1. 直检式霍尔电流传感器

直检式霍尔电流传感器直接检测电流所产生的磁场，并在霍尔元件两侧产生电压差，经过运算放大器等电路放大后输出标准电压或电流信号，这种传感器具有电路简单、成本较低、能量效率高等优点，但精度、线性度较差，响应速度较慢，且温漂较大。

2. 闭环式霍尔电流传感器

闭环式霍尔电流传感器基于磁平衡原理工作，当原边电流产生的磁场被高品质磁芯聚集后，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边IP产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零，这样，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化，闭环式霍尔电流传感器具有精度高、响应时间快、温漂小、线性度好及抗干扰能力强等优点，但测量范围较固定，成本、能耗较高。

四、霍尔电流传感器的特性参数

标准额定值IPN和额定输出电流ISN：IPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s）；ISN指电流传感器额定输出电流，一般为10~400mA。

偏移电流ISO：也叫残余电流或剩余电流，主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的，电流传感器在生产时已调至最小，但仍会产生一定大小的偏移电流。

线性度：决定了传感器输出信号与输入信号在测量范围内成正比的程度，南京中旭电子科技有限公司的电流传感器线性度要优于0.5%。

温度漂移：当霍尔电极周边环境温度变化时，偏移电流ISO会产生变化，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的。

过载：电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。

精度：霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN，在+25℃时，传感器测量精度与原边电流有一定影响，同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

五、使用注意事项

在使用霍尔电流传感器时，需要注意以下几点：

选择合适的霍尔传感器型号，根据电流范围和精度要求进行选择。

确保传感器的安装位置和方向正确，以确保横向磁场与电流方向垂直。

注意电源电压和输出电压的匹配，以及信号处理电路的设计和调试。

接线时注意接线端子的裸露导电部分，防止ESD冲击，并由专业施工经验的工程师进行接线操作。

产品安装使用环境应无导电尘埃及腐蚀性，避免剧烈震动或高温。

六、应用场景

霍尔电流传感器广泛应用于电力、电子、汽车等领域，在工业应用中，可用于继电保护与测量；在直流自动控制调速系统中，可代替电流互感器实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护；在逆变器中，可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感等，还可用于电能管理、电子点焊机、电车斩波器控制以及交流变频调速电机等领域。

七、测量步骤（以闭环式霍尔电流传感器为例）

1、将霍尔元件固定在高品质磁芯的气隙中。

2、当原边电流IP通过时，产生的磁场被磁芯聚集。

3、霍尔元件检测到磁通后，产生霍尔电压。

4、通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流IC。

5、调整补偿电流IC的大小，使磁路中磁通始终保持为零。

6、传感器的输出端输出精确反映原边电流变化的电流信号。

九、FAQs

Q1: 霍尔元件测量电流的原理是什么？

A1: 霍尔元件测量电流的原理是基于霍尔效应，当电流通过载流导体时，在其周围产生磁场，霍尔元件通过测量这个磁场来间接测量电流的大小，当半导体或导体平板置于磁场中并通有电流时，电子受到洛伦兹力作用向一侧偏转，在垂直于电流和磁场的方向上产生电压差（霍尔电压），这个电压差与通过导体的电流和磁感应强度成正比。

Q2: 直检式和闭环式霍尔电流传感器有什么区别？

A2: 直检式和闭环式霍尔电流传感器的主要区别在于工作原理和应用场合，直检式霍尔电流传感器直接检测电流产生的磁场并放大输出信号，具有电路简单、成本较低等优点，但精度和线性度较差，闭环式霍尔电流传感器则基于磁平衡原理工作，通过输出反向的补偿电流来抵消原边电流产生的磁通，使磁路中磁通始终保持为零，这种传感器具有精度高、响应时间快、温漂小等优点，但测量范围较固定且成本和能耗较高，在选择使用时需根据具体需求进行权衡。