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发表于：2005-09-27 11:23:00

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仪表用霍尔元件及其应用南京中霍传感科技有限公司 http://www.zhcgq.com 摘要：本文从线性度、稳定性、分辨率等几个方面介绍了仪表用霍尔元件的特点，并详细阐述了霍尔电流传感器的原理和设计数学模型。关键词：InSb GaAs 导磁材料磁场特斯拉仪表用霍尔元件有InSb和GaAs两类材料，其霍尔元件在以下几个技术指标上有如下区别： 1、低不等位电势 InSb元件控制在±3mV之内（Vcc：1V，B=0） GaAs元件控制在Vo/VH＜5% （Ii：5mA，B=0/1KGs） 2、线性度好为排除电磁场所用导磁材料的非线性影响，我们采用空心通电螺旋管，其中心处磁场大小由通入螺旋管的电流标定。这样测得的InSb、GaAs Hall元件的线性度0—200Gs内好于0.2%。当然，由于InSb制造材料的限制，当磁场高于400Gs后，其线性度将会下降到0.8%。附图1，附图2。附图1： http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000.jpg 附图2： http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_1.jpg 3、稳定性好将其Vo放大50倍后，其Vo的波动均小于1mV。 4、分辨率高 GaAs元件做特斯拉计的探头，其分辨率可达0.1Gs。南京新捷中旭微电子有限公司生产的仪表Hall元件型号有： InSb：TY211，TY311TY300D GaAs：SJ411-Y，SJ119-Y 目前，南京中霍传感科技有限公司生产的仪表类霍尔元件主要用于钳型电量测试仪表以及电流传感器。霍尔电流传感器——一种新颖的电流检测装置一、霍尔电流传感器简介霍尔电流传感器顾名思义就是利用霍尔原理制成的检测电流装置。它突出的特点是能测量各波形的电流，而且是电隔离的。输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，虽说要辅助电源，但功耗很小、重量轻。因此，使用极为方便可靠。二、霍尔效应与电流传感器的联系霍尔效应是1879年由美国物理学E.H.Hall首先在金属材料中发现的。至今，霍尔效应已在很多领域得到应用。随着半导体工业的进步，早期利用锗、铋等材料制成的霍尔效应元件（简称霍尔元件），也逐步发展到了现在的砷化镓、锑化铟等霍尔元件，性能有了很大的提高，并进入了实用阶段。霍尔元件是将磁场转换成电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压VH有： http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_2.jpg 从上式看出，只要将集磁环与霍尔元件组合在一起，就成了测量电流的传感头，它也是电流传感器的核心部分。三、霍尔电流传感器的两种线路原理霍尔电流传感器依据使用范围及目的的不同，在线路原理上通常分为两种形式/。第一种为前面所述的，利用集磁环将通电导线周围产生的磁场集中起来提供给磁敏元件，再由磁敏元件转换为弱电信号，经放大输出电压信号。这种电流传感器适合于测量直流到数千赫兹电流，频率较窄，但线路形式简单，性能稳定。线路由三部分组成，第一部份为恒流源加磁敏元件，第二部份为差分放大加滞后的频率补偿。第三部分为反相放大加调零与超前的频率补偿，基本的线路原理如图（1）。 http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_3.jpg 其输出电压为： (7) （7）式为测量直流时，输出与被测电流Io的关系。第二种电流传感器是在前述原理的基础上，加上了零磁通原理。即集磁环将原边电流所产生的磁场聚集后，作用于霍尔元件，使其有电压讯号输出，经放大输入到功率放大器，输出补偿电流流经次级补偿线圈。次级线圈产生的磁场与原边电流产生的磁场相反，因而补偿了原边磁场，使霍尔输出逐渐减小，当原次级磁场相等时，补偿电流不再增大，这就是零磁通检测的原理。图(2)为零磁通线路原理图。 http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_3.jpg 这种线路主要由磁电转换部分，放大部分及驱动补偿线路部分等组成。其瞬态工作过程如下：当Io刚通过磁环，Is尚未形成时，霍尔元件检测出N1Io所产生的磁场信号，经放大级放大，推动驱动级。由于N2为补偿线圈，通过线圈电流不会突变，因此Is逐渐上升，N2Is所产生的磁场补偿了N1Io所产生的磁场。因此，霍尔元件输出降低，Is上升减慢。当N2Is=N1Io时，磁场为零，霍尔元件输出为零。但由于线圈的缘故，Is还会再上升，这样，N2IsN1Is，补偿过冲，霍尔元件输出变号，驱动输出级使Is减小。如此反复在平衡点附近作振荡。因此这样的平衡为动态平衡，建立时间往往在以内，整个测量回路形成闭环系统。我们设原边电流为Io，补偿电流Is，霍尔元件输出，运放输出，驱动级为1：1传输，则加在补偿线圈与测量电阻上的电压为 http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_4.jpg VR=IS•R= 0.99N1IO N2 •R (14) 我们从图（2）看到，整个测试回路和频响，关键在于中间的放大级。放大级往往设计成具有较大的增益，与较高的电压上升速率，这样才能保证IS始终跟随IO的变化。但是较高转换速率的运放常常会引起高频自激，因此，在运放输出驱动级需要加上滞后的频率补偿，来提高稳定性。这种以零磁通作为检测原理的电流传感器，补偿电流IS始终受到原边电流IO的控制，因此，与第一种电流传感器相比，频带较宽，测试精高较高。四、霍尔电流传感器的性能前面我们着重介绍了二种霍尔电流传感器的原理，从图（1）和图（2）看到，第一种电流传感器的放大级设计成低通滤波形式，因此，这种电流传感器也可称作为选频式电流传感器。第二种利用零磁通检测原理，故也称作为反馈磁补偿式电流传感器。两种传感器由于根据不同的测试原理，因此在性能上有较大的区别。限于篇幅，下表仅列举额定电流为100A的两种电流传感器的一些性能对比。 http://www.ieeec.com/360/0box360/0000004443/htm/0312/05_0502_534415_30_12_03_0000004443_00000_5.jpg 从参数对比上看出，磁补偿式电流传感器的性能要高于选频式电流传感器。但是在生产上，磁补偿式要比选频式的难度大，成本高。因此需根据不同的使用条件，选择合适的电流传感器。选频式电流传感器，由于频带不宽，响应时间较长，因此，可用于直流电流或50Hz等频率不高的电流信号检测。我们知道老式的交流电流互感器与直流电流互感器，外形笨重，制作复杂，输出往往是数安培电流。因此耗能耗材，与现代工业的节能小型化要求相去甚远。在与计算机联接时，信号需作一定的处理，使用较为复杂。而使用简单的分流器，在电位上实现不了隔离，不能与计算机联接，只能作一般检测使用。而霍尔选频式电流传感器是电子型的测电装置，磁路设计简单。在电路形式上可以有多种变化。输出形式可以任意改变，并且实现了电隔离。因此，不仅可与计算机直接联接，作为“电五官”，实施自动检测与控制，又可以输出多种信号，独立地作为检测控制装置。随着性能价格比的增高，在将来有可能替代老式的交直流电流互感器。反馈磁补偿式电流传感器由于精度与线性度较高，因此可用于较高精度的电流检测，而最受人青睐的是它的频带宽，响应时间短这一特性。例如在低压配电柜中，大电流的保护至关重要。由于负载或别的原因，引起的短时间大电流的冲击往往会损坏负载与配电柜本身。故它常常采用三级电流保护装置，以确保保护装置可靠地工作。第一级保护也就是最早最快的保护是电子保护。因此要求电流检测装置要很快地将大电流信号检测出来并传送给控制部分，给后级开关留有一定的动作时间。电子保护一旦成功，将给维修带来很大的方便。由于磁补偿式电流传感器响应时间在1μs以内，上升速率可达50A/μs，因此，在大电流保护中具有极大的应用价值。从性能表中看，反馈磁补偿式电流传感器频宽为0～50Hz，因此，它可以测量高频电流以及脉冲电流等信号，常被用于现在较为流行的交流变频调速系统中，作为电流检测装置。以上仅仅列举了部分电流传感器的应用方式。在国内，霍尔电流传感器作为一种新颖的电流检测装置，它将逐渐被人们认识而受到重视，应用前景广阔。

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