浅谈霍尔电流传感器的原理及应用

李婧婧

安科瑞电气有限公司 上海嘉定 13651946738

摘要：通过介绍开环霍尔电流传感器的工作原理，提出了一种直流霍尔电流传感器电路，可以输出精确的直流偏置电压，并通过试验进行验证。

关键词：霍尔传感器；电流传感器；直流霍尔

0 引言

近年来，霍尔电流传感器产品广泛应用于航空、航天、通信、仪器、冶金、铁路等军事和民用产品领域，具有精度和线性好、检测电压和输出信号高度隔离、可靠性高、功耗低、维护更换方便等优点。在许多应用中，霍尔电流传感器的零点输出是基准的.5V，当检测电流为零时，传感器输出电压为2.5V，传感器输出电压小于2.5V当检测到电流的正方向时，传感器的输出电压大于2.5V检测电流与输出电压之间的线性关系。目前，传统的霍尔元件零点输出电压是供电电压的一半，而许多霍尔电流传感器的供电电压不是*固定值确实是一个范围，比如4.5～5.5V霍尔电流传感器的零点电压输出不稳定，甚至超过规定值。

本文简要介绍了开环霍尔电流传感器的工作原理，设计了结构简单、成本低、体积小的电路，用于检测数百个安培的直流电流信号，隔离输出精确的2.5V直流偏置电压且与检测电流成线性关系的电压信号。

1 开放式霍尔电流传感器

开环霍尔电流传感器的工作原理如图1所示。

图1开环霍尔电流传感器原理框图

根据安培定律，原边被测电流I×N磁场与电流成正比B1.开口磁环气隙中的磁敏芯片直接测量B的强度，输出霍尔电压V，V线性放大后输出电压信Uo。当检测电流为零时，开口磁环中的零磁通量，磁敏芯片的零输出电压为电源电压的一半，即V /2.当被检测电流通过开口磁环时，开口磁环气隙中的霍尔芯片会检测到磁环的磁通变化，并在零点电压的基础上输出与磁通变化量成正比的电压值，即:

OUT=V /2 KΔV （1）

式中，OUT磁敏芯片的输出电压，V /2为零输出电压，ΔV磁敏芯片的灵敏度，即单位磁通变化引起的电压变化，K放大通过外围电阻调节的倍数。如图1所示，当磁力线从磁敏芯片的正面垂直穿过时，芯片将输出一个正向的变化量电压，即ΔV>0，反之，输出负电压变化，即ΔV＜0。

当传感器供电电压为5时V按照类型(1)，传感器输出2.5V偏置电压和与电流成线性比的电压信号，但如果电源电压不是*当误差范围较大时，传感器输出电压的直流偏置不会*如果供电电压为4，确实或相应的误差很大.6V传感器的零偏置电压为2.3V，误差太大。

目前，霍尔电流传感器在行业内很少使用精确的直流偏置电压输出。传统的方法是先隔离传感器的直流偏置电压，只输出与原始电流线性关系的零偏置电压信号，然后使用基准稳压源获得的加法器和2.5V对于基准电压信号，电路相对复杂。

2 偏置电压电路设计

本文在上述开环霍尔电流传感器电路的基础上增加了简单的电子元件，通过一定范围内的低压电源信号升压，然后通过基准稳压电路转换为 5.0V基准电压供电磁敏检测电路，产生2.5V基准零偏置电压。磁敏检测电路检测开口磁环中的磁场强度，并将其转换为与基准2相关的线性电压信号.5V叠加，电压跟随电路后输出，即实现上述2.5V直流线性霍尔电流传感器输出直流偏置电压输出。该电路由升压电路、基准稳压电路、磁敏检测电路以及电压跟随电路组成，原理框图如图2所示。

图2中有霍尔传感器输出精确的直流偏置

正常工作时，4.5～5.5V直流供电电压在升压电路范围内升至一定值Vbst，如12V或其它可设定值，Vbst基准稳压电路转换为基准稳压电路*确的 5.0V，为磁敏检测电路供电。磁敏检测电路检测开口磁环中的磁场强度，输出具有偏置电压的直流电压Vo1，且有：

Vo1=2.5 KΔV （2）

式中，2.5V磁敏检测电路的零点输出电压为磁敏检测电路供电电压的一半，K对于磁敏检测电路节磁敏检测电路的放大倍数，ΔV为磁敏检测电路的灵敏度，即单位检测电流变化引起的磁敏芯片输出电压变化量，该变化量由磁敏芯片内部的霍尔器件决定。Vo1电压跟随电路后直接输出Vout，电压跟踪器的作用是提高传感器电路的负载能力，避免外部负载影响传感器的输出电压。

2.1升压电路

一般传感器供电不是*确的5.0V，它是一个电压范围，如4.5～5.5V，磁敏芯片零磁通时的输出电压是供电电压的一半。为了保证供电电压在允许范围内变化时磁敏芯片零点输出的稳定性，需要为磁敏芯片提供准确的5V供电电压，即需要将4.5～5.5V电源电压升高后，转换为*确稳定的5V电压。原理图如图3所示。原理图如图3所示。U1为升压芯片，4.5～5.5V供电电压升至11.4～12.6V，*大输出电流50mA，无电感，外围设备少，具有短路保护和过温保护等功能。

图3升压电路

2.2基准稳压电路

由于磁敏芯片的输出电压是电源电压的一半，为了使磁敏芯片获得精确的2.5V输出电压需要为磁敏芯片提供准确的5V因此，使用精密稳压电路将提高12V将电压转换为精确的5V电压，为磁敏芯片供电，精密稳压电路原理图如图4所示。其中，D11精密稳压电源芯片TL431，R用于限制后电路电流的限流电阻，R2、R5以及R11用于调节输出电压的精确5V，精准的5V精确的2可以通过分压电阻获得.5V。

图4基准稳压电路

3试验验证

基于本文chuang新电路设计0~150A直流霍尔电流传感器经检测后线性输出2.5～3.5V直流电压。测试数据如表1所示。霍尔电流传感器的零偏差为9mV，额定电流范围内的偏差为10mV。

安科瑞霍尔传感器产品选型

4.1产品介绍

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离和转换。AD、DSP、PLC、直接收集和接受二次仪器等采集装置，响应时间快，电流测量范围宽，精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控和电池应用、逆变电源和太阳能电源管理系统、直流屏幕和直流电机驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

图5霍尔传感器

4.2产品选型

4.2.开放式霍尔电流传感器

表1

4.2.2闭式开环霍尔电流传感器

表2

4.2.33闭环霍尔电流传感器

表3

4.2.4.直流泄漏电流传感器

表4

5结论

本文利用简单的电路结构将传感器的电源电压提高，稳压产生基准的稳压电压，使磁敏检测电路产生精确的零点电压。霍尔电流传感器具有结构简单、成本低、体积小的特点，可用于检测数百安培的直流电流信号，隔离输出精确2.5V与检测电流成线性关系的直流偏置电压电压信号。

【参考】

[1]康弘军、王威、王勇.霍尔电流传感器具有精确偏置电压输出.通信电源技术.2021-01-10

王威，魏晓娟.霍尔传感器在地铁电力监控系统中的应用[J].通信电源技术.2018

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版.