霍尔电流传感器的工作原理与其磁饱和问题

　　霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔 元件平面的法线方向上施加磁场 强度为B的磁场，那么在垂直于 电流和磁场方向（即霍尔输出端 之间），将产生一个电势VH，称 其为霍尔电势，其大小正比于控 制电流I。与磁场强度B的乘积。 即有式中：K为霍尔系数，由霍尔元件的材料决定;I。为控制电流;B为磁场强度; VH为霍尔电势。

　　霍尔电流传感器的原理

　　霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势VH。霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：VH=KHICBsinΘ。霍尔电流传感器是按照霍尔效应原理制成，对安培定律加以应用，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。

　　工作原理

　　1、 直放式（开环）电流传感器（CS系列）

　　当原边电流IP流过一根长导线时，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，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压VS精确的反映原边电流IP。一般的额定输出标定为4V。

　　2、磁平衡式（闭环）电流传感器（CSM系列）

　　磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流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，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

　　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，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。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。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。

　　3、霍尔电压（闭环）传感器（VSM系列）

　　霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。

　　4、交流电流传感器（A-CS系列）

　　交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA（或4～20mA）的标准直流信号输出供各种系统使用。

　　工作过程

　　开环的霍尔电流传感器采用的是霍尔直放式原理，闭环的霍尔电流传感器采用的是磁平衡原理。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。

　　开环式霍尔传感器的工作过程：

　　原边电流（Ip）通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它能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，霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出情况。

　　优点：封装尺寸小 ，测量范围广 ，重量轻，低电源损耗，无插损

　　闭环霍尔电流传感器的工作过程：

　　当原边电流IP产生的磁通通过磁芯集中在磁路中，霍尔器件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流（IP）产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。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。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。

　　霍尔传感器的磁饱和问题

　　许多霍尔电流传感器厂家在其技术资料的也将无磁饱和作为霍尔电流传感器的一个重要优点来宣传。霍尔电流传感器不会发生磁饱和几乎是霍尔电流传感器自应用以来就得到广泛认可的主要优点之一。

　　事实是不是这样呢？

　　事实上，霍尔电流传感器包含了非线性的磁芯，就已经决定了霍尔电流传感器在特定情况下，一定会发生磁饱和！

　　1、开环式霍尔电流传感器的磁饱和问题

　　下图为所有高导磁材料的典型磁化曲线示意图：

　　图1 霍尔电流传感器磁芯的磁化曲线

　　图中，Oa’为起始非线性段，a’a’’为线性段，a’’a为饱和区。众所周期，为了获取较好的测量结果，不论是开环式霍尔电流传感器，还是电磁式互感器，都会将磁化曲线中线性度较好的一段作为工作区间。换言之，只要磁感应强度超出线性区域一定的范围，就会发生磁饱和。

　　与电磁式互感器相比，开环式霍尔电流传感器磁饱和原因只有一个，就是原边电流足够大。

　　不会因为电流频率低导致磁饱和，是霍尔电流传感器的优点，也是开环式霍尔电流传感器磁饱和特点。

　　相比之下，电磁式互感器也有一个优点，就是二次负荷足够小时，即便过载较多，也不会发生磁饱和。

　　2、闭环式霍尔电流传感器的磁饱和问题

　　开环式霍尔电流传感器磁饱和问题较简单，相比之下，闭环式霍尔电流传感器磁饱和问题似乎不可理解，因为闭环式霍尔电流传感器正常工作时，磁芯中的磁通为零，零磁通下，自然不会饱和。

　　然而，这只能将是在正常工作条件下！

　　事实上，即便是电磁式电流互感器或开环式霍尔电流传感器磁饱和问题都是发生在过载，频率过低，负荷过大等非正常工作条件下，正常工作条件下，都不会发生磁饱和！

　　从闭环式霍尔电流传感器工作原理可知，零磁通是建立在副边补偿绕组产生的磁场可以抵消原边导体产生的磁场的前提下。那么，当闭环式霍尔电流传感器是不是任何情况下都可以维持这个零磁通呢？

　　显然不是！

　　A、传感器未供电的情况下，副边补偿绕组不产生电流，此时，闭环式霍尔电流传感器相当于一个开环式霍尔电流传感器，只要原边电流够大，就会发生磁饱和。

　　B、正常供电，原边电流过大。这是因为二次补偿绕组可以产生的电流毕竟是有限度的，当原边电流产生的磁场大于副边补偿绕组能够产生的最大磁场时，磁平衡被打破，磁芯中有磁场通过，原边电流继续加大时，磁芯中磁场也随着增大，原边电流足够大时，闭环式霍尔电流传感器进入磁饱和状态！

　　与电磁式电流互感器及开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器磁饱和现象不易发生，但不等于不会发生，使用不当或长时间过载，也会发生磁饱和。