霍尔元件

2008-01-05 18:55

一、霍尔元件的工作原理：

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

二、霍尔元件的特性：

1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH

在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。

2、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度）

霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。

3、霍尔额定激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

4、霍尔最大允许激励电流

以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

5、霍尔输入电阻

霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。

6、霍尔输出电阻

霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。

7、霍尔元件的电阻温度系数

在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。

8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）

在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差

称为不等位电势。

9、霍尔输出电压

在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。

10、霍尔电压输出比率

霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率

11、霍尔寄生直流电势

在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。

12、霍尔不等位电势

在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。

13、霍尔电势温度系数

在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为 UH=RHIB/d （18）

RH=1/nq（金属） （19） 式中 RH——霍尔系数：

n——载流子浓度或自由电子浓度； q——电子电量； I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度； d——导体的厚度。

对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。霍尔元件是一个N型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏 则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR.

式中:UH---霍尔电压； RH---霍尔系数； d---霍尔元件的厚度; I---通过霍尔元件的电流;

B---加在霍尔元件上的磁场磁力线密度;

---元件形状函数，其中L为元件的长度，W为元件的

宽度。

从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小及方向。

图:霍尔效应原理图

霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化钢等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。

原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电流传感器 原边电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电压传感器 原边电压Vp通过原边电阻R1转换为原边电流Ip，Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电压。 霍尔电流电压传感器特点》》》 ◎直测式霍尔电流传感器（50A……10000A） Ⅰ、测量频率： 0……50KHz Ⅱ、反应时间： ＜7uS Ⅲ、线性度： 1% Ⅳ、电源耗电少 ◎磁平衡霍尔电流传感器（1A……1000A） Ⅰ、测量频率： 0……150KHz Ⅱ、精度： 0.2% Ⅲ、反应时间： ＜1uS Ⅳ、线性度好： 0.1% ◎ 磁平衡霍尔电压传感器 Ⅰ、测量频率： 0……20KHz Ⅱ、线性度好： 0.1% Ⅲ、反应时间： 40uS 使用传感器模块注意事项》》》 ◎传感器模块在使用时，应先接通副边电源，再接通原边电流或电压。 ◎在选用传感器模块时，要根据测量范围、精度、反应时间及接线方式等参数，选用不同型号的传感器。 ◎测量电流时，最好使用单根导线充满传感器模块孔径，以便得到最佳的动态性能和灵敏度。 ◎传感器模块的最佳测量精度是额定值下测得的，当测量值低于额定值时，原边用多匝绕线，使总的安匝数接近额定值，从而获得最佳测量精度。 ◎电流母线温度不得超过100度。

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霍尔电流传感器工作原理及其应用

[ 来源：机电论文 | 类别：技术 | 时间：2008-10-14 9:41:03 ] [字体：大 中 小]

一、概述

伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的“考验”越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源.因此，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角，资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视，电源技术遂发展成为一门崭新的技术。

而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压、PWM、SPWM、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐。

二、霍尔电流传感器工作原理

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。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。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。 直放式电流传感器（开环式）：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。 磁平衡式电流传感器（闭环式）：磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，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。） 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。

三、霍尔电流传感器的应用

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。

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霍尔电流传感器原理图

模块名称：闭环霍尔电流传感器 模块参数：

测量频率： 0～100KHz 测量范围： 1A～40,000A 精 度： 0.2%～1% 相应时间： <1uS 线 性 度： 0.1% 无测量插入损耗 测量AC,DC及脉冲电流

原边电流与副边输出信号高度隔离 模块原理图：

工作原理：

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。 [ 本日：29 本周：81 本月：280 总浏览数：2410 ] [返回上一页] [打 印] [收 藏]

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霍尔电流电压传感器的工作原理

类别：新品推荐 发布时间：2008-1-25 阅读：1032

原边电流Ip产生的磁通量聚集在反映原边电流。

磁平衡霍尔电流传感器

磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地

原边电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电流。

磁平衡霍尔电压传感器

原边电压Vp通过原边电阻R1转换为原边电流Ip，Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电压。

霍尔电流电压传感器特点 》》》

◎ 直测式霍尔电流传感器（50A„„10000A） Ⅰ、测量频率：0„„50KHz Ⅱ、反应时间：＜7uS Ⅲ、线性度：1% Ⅳ、电源耗电少

◎ 磁平衡霍尔电流传感器（1A„„1000A） Ⅰ、测量频率：0„„150KHz Ⅱ、精度：0.2% Ⅲ、反应时间：＜1uS

Ⅳ、线性度好：0.1% ◎磁平衡霍尔电压传感器 Ⅰ、测量频率：0„„20KHz Ⅱ、线性度好：0.1% Ⅲ、反应时间：40uS

使用传感器模块注意事项 》》》

◎ 传感器模块在使用时，应先接通副边电源，再接通原边电流或电压。 ◎ 在选用传感器模块时，要根据测量范围、精度、反应时间及接线方式等参数，选用不同型号的传感器。

◎ 测量电流时，最好使用单根导线充满传感器模块孔径，以便得到最佳的动态性能和灵敏度。

◎ 传感器模块的最佳测量精度是额定值下测得的，当测量值低于额定值时，原边用多匝绕线，使总的安匝数接近额定值，从而获得最佳测量精度。

◎ 电流母线温度不得超过100度。