霍尔传感器开环和闭环的介绍

霍尔传感器开环和闭环的介绍

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall, 1855-1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体，导电流体等也有这种效应，而半导体的效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术，检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型，载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

开环的传感器是霍尔直放式原理，闭环的是磁平衡原理。所以闭环的在响应时间跟精度上要比开环的好很多。开环和闭环都可以监测交流电，一般开环的适用于大电流监测，闭环适用于小电流监测。往往开环的传感器输出

霍尔电流传感器工作原理

霍尔电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。2 O! N# k- o. U) O ?

直放式电流传感器（开环式）工作原理：

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）工作原理：

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。& R5 E" `1

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。+ K _/ d( r. B. f8 B' x$ V

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。

霍尔传感器：开环和闭环的工作原理_区别

1. 开环霍尔传感器工作原理：

原边电流（Ip）产生的磁通量集中于磁性回路，通过气隙中的霍尔器件感应到这些磁通量，从而进行测量。霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出情况。

特征:封装尺寸小，测量范围广，重量轻，低电源损耗，无插损

2. 闭环霍尔传感器工作原理：

副边电流产生的补偿磁通平衡了原边电流Ip产生磁通量。霍尔器件和辅助电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小。

特征: 频率范围宽，精度高，快速响应，低温漂，线性度好，无插入损耗

闭环霍尔电流传感器的工作原理

闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，并通过反馈控制电源系统的输出电流。当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护了电源系统不会因用电负载的变化而损坏。

2 闭环霍尔传感器的工作原理

自1879年美国物理学家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，霍尔技术被越来越多地应

用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺技术的发展，由霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大地扩展了该项技术的应用领域。

2.1 霍尔效应及霍尔器件

霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时（如图1），半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压V H，V H与磁感应强度B及控制电流I C成正比，经过理论推算有式（1）关系。

V H=（R H/d）×B×I C（1）

式中：B为磁感应强度；

I C为控制电流；

R H为霍尔系数；

d为半导体厚度。

式（1）中，若保持控制电流I C不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强

度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件。

图1 霍尔效应原理

2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理

闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式（或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式）。众所周知，当电流流过一根导线时，将在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此，可利用霍尔器件测得的输出信号，直接反映出导线中的电流大小，即

I∝B∝V H（2）

式中：I为通过导线的电流；

B为导线通电流后产生的磁感应强度。

当选择适当的比例系数后，上述关系可以表示为等式。

对于霍尔输出电压信号V H的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；另一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。

针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是将霍尔器件的输出电压用运算放大器直接进行信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低；其缺点是其精度、线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为了克服开环

传感器的不足，上世纪80年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感器。1989年，北京七○

一厂引进国外技术在国内率先开展闭环霍尔电流传感器的研制和生产。经过十几年的努力，这种传感器在国内逐渐为广大用户了解和应用。

闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的（如图2），即原边电流（I N）所产生的磁场，

通过一个副边线圈的电流（I M）所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即

N1×I N=N2×I M（3）

式中：N1为原边线圈的匝数；

N2为副边线圈的匝数。

由式（3）可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流I M的大小，即可推算出原边电流I N的值，从而实现了原边电流的隔离测量。

图2 闭环霍尔电流传感器的工作原理

3 闭环霍尔电流传感器的主要性能

闭环霍尔电流传感器是近10年来出现的高技术模块化产品，其性能大大优于开环霍尔电流

传感器，同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：

1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；

2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～12kV；

3）电流测量范围宽，可测量额定1mA～50kA电流；

4）跟踪速度d i/d t>50A/μs；

5）线性度优于0.1％I N；

6）响应时间<1μs；

7）频率响应0～100kHz。

4 传感器在车用电源系统中的应用

闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功地应用于逆变焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上。表1以额定电流为300A的CHB－300S型霍尔电流传

感器为例，说明这种传感器的应用。

表1 CHB－300S型霍尔传感器的主要性能参数

符号名称参数

型号CHB－300S/SP1

I N额定电流300A(RMS)

I P测量范围0～500A

I M输出电流150mA对应原边300A

X精度（T a=25℃）I N的±0.5％

K N匝比1:2000

L线性度<0.1％

di/dt >50A/s

I off失调电流±0.3mA（典型）

t r响应时间1μs

V c电源电压＋20～30V(±5％)

I C耗电28mA＋I M

t a工作温度－40℃～85℃

t s贮存温度－55℃～100℃

在某型地面车辆上装备了一套独立的大功率发电系统，该发电系统设计选用了CHB－300S 型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。闭环霍尔电流传感器CHB －300S的应用，很好地实现了上述应用目的。如图3所示，发电机G输出正端汇流母线穿过CHB－300S/SP1的原边电流穿孔，由传感器CHB－300S/SP1检测发电机的输出电流，传感器的输出I M与发电机控制盒相连，由发电机控制盒设定发电机的输出电流控制点，依

据此信号，对发电机的输出电流加以限制，避免发电机因输出功率过高而发生故障或损坏，从而保证发电系统正常工作。

图3 CHB－300S传感器的应用

5 总结

该传感器能够满足车用发电系统对电流检测的技术要求，已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。