霍爾電流傳感器在電子領(lǐng)域的應(yīng)用如何？

1、霍爾電流由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、變電站、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)大電流、電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。在電力電子產(chǎn)品中，對(duì)大電流進(jìn)行精確的檢測(cè)和控制也是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。

2、霍爾傳感器的性能特點(diǎn)

霍爾電流傳感器具有優(yōu)越的電性能，是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測(cè)元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了互感器和分流器的不足(互感器只適用于50Hz工頻測(cè)量;分流器無法進(jìn)行隔離測(cè)量)。 利用同一只霍爾電流傳感器既可以檢測(cè)交流也可以檢測(cè)直流，甚至可以檢測(cè)瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。霍爾電流傳感器具如下特點(diǎn)：可測(cè)量任意波形的電流。霍爾電流傳感器可以測(cè)量任意波形的電流參量，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對(duì)瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其副邊電路可以忠實(shí)地反映原邊電流的波形。 這一點(diǎn)普通互感器無法與其相比，因?yàn)槠胀ǖ幕ジ衅饕话阒贿m用于50Hz的正弦波;精度高。一般的霍爾電流傳感器在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量，而普通互感器精度一般為3%～5%，且只適合于50Hz的正弦波形;線性度優(yōu)于0.5%;動(dòng)態(tài)性能好。一般霍爾傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs;

霍爾電流傳感器以其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)(無感元件)。一般普通互感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10～20μs，這顯然已不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要(感性元件)。工作頻帶寬?？稍?～20kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作;過載能力強(qiáng)，測(cè)量范圍大(0～±10000A)可靠性高，平均無故障工作大于5×10000小時(shí);尺寸小，重量輕，易于安裝且不會(huì)給系統(tǒng)帶來任何損失。

3、霍爾傳感器的工作原理

霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐贰⒕鄞怒h(huán)、霍爾器件、(次級(jí)線圈)和放大電路等組成。

3.1 直放式電流傳感器(開環(huán)式)

眾所周知，當(dāng)電流通過一根長導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比， 它可以通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為4V。

3.2 磁平衡式電流傳感器(閉環(huán)式)

磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(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)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(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)償了原來的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過Is來平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展日新月異，涉及到我們生活的方方面面，如智能手機(jī)、平板電腦、地鐵、汽車等等。隨著應(yīng)用的不斷深入，對(duì)于半導(dǎo)體材料表征的要求也越來越高，而霍爾效應(yīng)測(cè)試表征能直接測(cè)試出材料的電阻率、遷移率和載流子濃度及類型等，高精度的霍爾表征就變得尤為重要。

目前市面的霍爾測(cè)試主要分為直流霍爾測(cè)試、交流磁場(chǎng)霍爾測(cè)試、快速霍爾測(cè)試三種方法。

1、直流(DC)霍爾測(cè)試

一種比較通用的技術(shù)，對(duì)于霍爾測(cè)試而言，霍爾電壓的精準(zhǔn)測(cè)量至關(guān)重要。通常儀器測(cè)的電壓中包含霍爾電壓、偏置電壓、熱電壓等。普通的半導(dǎo)體材料的霍爾電壓很大，偏置電壓、熱電壓等誤差信號(hào)占比很小，所以分辨出霍爾電壓比較容易。傳統(tǒng)的儀表都采用這種測(cè)量方式。

2、交流磁場(chǎng)(AC)霍爾測(cè)試

對(duì)于低遷移率等材料，霍爾電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于誤差電壓，用傳統(tǒng)的直流磁場(chǎng)的方式測(cè)試很難測(cè)準(zhǔn)確，AC交流磁場(chǎng)測(cè)試方法可以利用鎖相放大器提取霍爾電壓并將信號(hào)放大，再通過高精度的電壓表將霍爾電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。這種方式可測(cè)得的材料的遷移率低至10-3cm2/v s。市面上采用AC交流磁場(chǎng)測(cè)試方法的儀器有Lake Shore的8400系列(加AC交流磁場(chǎng)選件)霍爾測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)測(cè)試功能強(qiáng)大，可以根據(jù)樣品需求選擇高溫、低溫、高阻、低阻、偏壓等選件。

3、快速霍爾測(cè)試技術(shù)(FastHall)

美國Lake Shore公司的新?！?，其最新產(chǎn)品是M91快速霍爾測(cè)試儀。FastHall不需要像上述兩種方法一樣通過翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)去除偏置電壓誤差。FastHall基于互易定理，利用旋轉(zhuǎn)電流的方式達(dá)到和反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一樣的效果，大大提高測(cè)試速度，而極快的測(cè)試速度可以有效避免溫度和偏置電壓的影響，使測(cè)試更精確。M91還具備直流測(cè)試功能，并能夠與您已有的永磁鐵、電磁鐵、超導(dǎo)磁體配合使用。例如和各個(gè)廠家的超導(dǎo)磁體，PPMS等設(shè)備進(jìn)行連用，在高磁場(chǎng)及低溫下進(jìn)行快速的霍爾測(cè)試。

在磁性傳感器中，利用霍爾效應(yīng)的傳感器稱為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅靼◣讉€(gè)部分。首先，它包含一個(gè)霍爾元件，該霍爾元件輸出通過霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的霍爾電壓(HV)。其次，它包含一個(gè)霍爾IC，該霍爾IC使霍爾輸出通過IC工藝變?yōu)楦?低數(shù)字輸出。第三，它包含一個(gè)線性霍爾IC，可放大并線性化霍爾輸出。

霍爾電流傳感器的應(yīng)用

霍爾電流傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合

1、在逆變器中的應(yīng)用： 在逆變器中，用霍爾電流傳感器可進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。

2、在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 ：在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器可以直接代替電流互感器，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對(duì)晶閘管進(jìn)行過載保護(hù)。

3、繼電保護(hù)與測(cè)量 ：在工業(yè)應(yīng)用中，來自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，如分別經(jīng)三只霍爾電流傳感器，按比例轉(zhuǎn)換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運(yùn)算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號(hào)，可送微機(jī)進(jìn)行測(cè)量或處理。在這里使用霍爾電流傳感器可以很方便地實(shí)現(xiàn)了無畸變、無延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

4、在不間斷電源中的應(yīng)用： 在該應(yīng)用中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。使用霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，霍爾電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，霍爾電流傳感器3控制浮充電源。由于其響應(yīng)速度快，霍爾電流傳感器特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。

5、在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用 ：在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控制作用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，又不致引入損耗。

6、用于電車斬波器的控制： 電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。而將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。

7、在交流變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用： 用變頻器來對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各發(fā)達(dá)國家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10%以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間往往小于5μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶全管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

8、用于電能管理： 霍爾電流傳感器，可安裝到配電線路上進(jìn)行負(fù)載管理。霍爾電流傳感器的輸出和計(jì)算機(jī)連接起來，對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過載，便及時(shí)使受控的線路斷開，保證用電設(shè)備的安全。用這種裝置，也可進(jìn)行負(fù)載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等。

9、在接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用： 在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電安全。

10、在電網(wǎng)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用： 電力系統(tǒng)無功功率的自動(dòng)補(bǔ)償，是指補(bǔ)償容量隨負(fù)荷和電壓波動(dòng)而變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投入和切除電容器，避免補(bǔ)償過程中出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟(jì)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無功功率的自動(dòng)采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來進(jìn)行，由于它們的響應(yīng)速度快，且無相位差，在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確”上會(huì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

11、霍爾鉗形電流表： 將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。 12、電功率測(cè)量 ：將負(fù)載電壓進(jìn)行變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，霍爾電流傳感器輸出的霍爾電壓即可指示功率，以構(gòu)成霍爾功率計(jì)。

12、在電力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用 ：在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量一般用電力工頻諧波儀來進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，人們?cè)鴮⒏鞣N電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明霍爾電流傳感器最為適用。