霍尔传感器 交流：7.1 霍尔效应及霍尔元件

霍尔传感器
7.1 霍尔效应及霍尔元件7.1.1 霍尔效应7.1.2 霍尔元件
 7.2 霍尔传感器的测量转换电路7.2.1 霍尔传感器的基本电路7.2.2 霍尔传感器的集成电路7.2.3 基本误差及补偿
 7.3 其他磁传感器7.3.1 磁阻元件7.3.2 磁敏二极管7.3.3 磁敏三极管

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，广泛用于电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。其特点是体积小、功耗小、寿命长、安装方便，耐腐蚀和污染。1879年美国物理学家霍尔在试验中发现了金属材料具有霍尔效应，但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。半导体出现后，研究人员开始使用半导体材料制成霍尔元件，而半导体的霍尔效应现象显著，从此霍尔传感器才得到应用和发展。

7.1 霍尔效应及霍尔元件
7.1.1 霍尔效应

7.1.2 霍尔元件
1.霍尔元件的结构

霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。如图7-2所示，霍尔元件有4个引脚，其中引脚1、1′为激励电流的引线端子，称为激励电极，引脚2、2′为霍尔电压的引线端子，称为霍尔电极，在电路中通常有两种符号表示，如图7-2（c）所示。

2.霍尔元件的材料

常用霍尔元件的材料有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能与N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。如表7-1所示为常用国产霍尔元件的技术参数。

3.霍尔元件的主要参数

（1）额定激励电流和最大允许激励电流

在给霍尔元件加激励电流时，霍尔元件的温度升高10℃，此时的激励电流称为额定激励电流，用符号IC表示。当激励电流增大时，霍尔电压也会随着增大。为了获得较大的霍尔电压，在应用中会采用较大的激励电流，但是激励电流过大，霍尔元件的功耗就会增大，霍尔元件的温度升高，会引起霍尔电压的温度漂移增大，影响测量精度，因此各种型号的霍尔元件都规定了对应的最大激励电流Im，它的数值从几毫安至十几毫安不等。

（2）输入电阻和输出电阻

霍尔元件两个激励电流端的电阻被称为输入电阻Ri，两个霍尔电压输出端子之间的电阻被称为输出电阻Ro。不同类型的霍尔元件，输入电阻和输出电阻的阻值一般从几十欧姆到几百欧姆不等。

（3）不等位电动势和不等位电阻

不等位电动势是指没有外加磁场时，霍尔元件在额定激励电流的作用下，霍尔元件输出的开路电压，一般用符号UM表示，产生这一现象的原因有：

· 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
· 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；
· 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

（4）寄生直流电动势

当外加磁场为零时，给霍尔元件通上交流电流，霍尔电极端子会输出一个寄生直流电动势，是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。

（5）霍尔电压的温度系数

霍尔电压的温度系数α是指在一定磁感应强度和一定的控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电压产生的变化率。

7.2 霍尔传感器的测量转换电路
7.2.1 霍尔传感器的基本电路

7.2.2 霍尔传感器的集成电路
霍尔传感器的集成电路的特点是体积较小、灵敏度高、输出幅度较大、温漂小、对电源的稳定性要求较低等。常见的类型有线性型霍尔传感器的集成电路和开关型霍尔传感器的集成电路。

1.线性型霍尔传感器的集成电路

**线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路由霍尔元件、恒流源、线性差动放大器组成，将这几部分集成制作在一个芯片上，使用时可以直接得到电压输出信号，比单独使用霍尔元件要方便。**比较典型的线性型霍尔传感器有UGN3501，如图7-4所示。图7-5所示为UGN3501的输出特性曲线。

如图7-6所示为双端差动输出的线性型霍尔传感器的特性曲线，当磁场为零时，输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁铁的S极对准霍尔元件的正面）时，输出信号为正；磁场反向时，输出信号为负。

2.开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路由霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等组成，如图7-7 所示，将这些元件集成在一个芯片上就可制成该集成电路。当外加磁场强度超过预先设定的标准值时，NPN型OC门导通，由高电平变为低电平；当外加磁场强度低于标准值时，OC门截止，输出高电平。典型的开关型霍尔器件有UGN3020等。

如图7-8所示为施密特触发电路的输出特性，当回差越大时，该电路的抗振动干扰能力就越强。

7.2.3 基本误差及补偿
1.不等位电动势误差的补偿

不等位电动势是霍尔元件产生误差的原因之一，也是最普遍的一种，其产生的原因如下：
（1）制造过程中不可能保证霍尔元件的两个霍尔电极绝对对称地焊接在它的两侧，这就会导致霍尔元件的两个电极点不能完全位于同一个等位面上。
（2）由于半导体的电阻特性所造成。

在电路中可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，如图7-9所示，不等位电动势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。

2.温度特性

霍尔元件的温度特性是指其内阻及霍尔电压与温度之间的关系，如图7-11和图7-12所示。

3.温度误差及其补偿

温度误差产生的原因有以下两种：
① 霍尔元件的材料是半导体，半导体对温度的变化非常敏感。半导体的载流子的浓度、迁移率、电阻率等参数都是温度的函数，因此容易受到温度的影响。
② 当温度发生变化时，霍尔元件的特性参数（如霍尔电动势、输入电阻和输出电阻等）都会发生变化，从而导致霍尔传感器产生温度误差。

减小霍尔元件的温度误差的方法有：
① 恒温措施补偿，包括以下两种：
· 将霍尔元件放在恒温器中；
· 将霍尔元件放在恒温的空调房中。
② 恒流源温度补偿霍尔元件的灵敏度与温度的关系为

7.3 其他磁传感器
7.3.1 磁阻元件
当霍尔元件置于与电流方向垂直的磁场中时，会出现霍尔效应，同时还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的元件被称为磁阻元件。

如图7-14 所示，在没有外加磁场作用时，电流方向为直线方向；在受到外加磁场作用后，电流的路径增长，电阻率就会增大，从而导致电阻增大。

磁阻元件具有阻抗低、阻值随磁场变化大、频率响应好、可非接触式测量、动态范围广及噪声小等优点，因此广泛应用于无触点开关、压力开关、角度传感器、转速传感器等场合。

7.3.2 磁敏二极管

7.3.3 磁敏三极管

霍尔传感器 交流：霍尔传感器

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霍尔传感器
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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，而半导体的霍尔效应比金属强得多，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。
中文名
霍尔传感器
外文名
Hall sensor
分    类
线型霍尔传感器
工作原理
霍尔效应
用    途
力测量
子    类
霍尔电流传感器
目录
1
原理
2
工作原理
3
霍尔效应
4
元件
5
分类
?
开关型
?
锁键型
?
线性型
6
优点
7
用途
?
位移测量
?
力测量
?
角速度测量
?
线速度测量
8
注意事项
9
应用
霍尔传感器原理
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语音
由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。
霍尔效应
一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的镀膜合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。
霍尔传感器工作原理
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磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图1所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。霍尔效应传感器
图1
1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片
霍尔传感器霍尔效应
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霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图2所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A，A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决定于测试样品的电类型。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，
[1]
图2
当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有⑴其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则⑵由⑴、⑵两式可得⑶即霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与ISB乘积正比与试样厚度d成反比。比例系数 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出 VH（伏）以及知道IIs（安）、B（高斯）和d（厘 米）可按下式计算RH（厘米3/库仑）
霍尔传感器元件
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霍尔传感器
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器分类
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霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。（二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。
霍尔传感器开关型
如图4所示，其中Bnp为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bnp以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bnp与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
霍尔传感器锁键型
如图5所示，当磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。
霍尔传感器线性型
输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
开环式电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。闭环式电流传感器磁平衡式电流传感器也叫霍尔闭环电流传感器，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。
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。
霍尔传感器优点
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语音
xrdt霍尔传感器
1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波；2、 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms；3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量；4、线性度好：优于0.1%；5、宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。6、测量范围：霍尔传感器为系列产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。霍尔电流传感器使用时，需遵循以下注意事项：1、为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。2、使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源|稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。3、霍尔传感器都具有较强的抗外磁场干扰能力，但是，为了获得较高的测量准确度，当有较强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小；在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩。4、测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，但是，需要注意导线的空间位置（参照第一条）。
霍尔传感器用途
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霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。
霍尔传感器位移测量
两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。
霍尔传感器力测量
如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，按这一原理可制成的力传感器。
霍尔传感器角速度测量
在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。
霍尔传感器线速度测量
如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。
霍尔传感器注意事项
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霍尔传感器
（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。
霍尔传感器
（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。
变频功率传感器(4张)
（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。霍尔电压传感器和霍尔电流传感器主要适用于工业控制领域的电压和电流测量。由于传感器一般不提供角差指标，对于需要准确测量交流电功率的场合，应对其角差指标进行验证，这一点需特别注意。工频电量测量可用互感器替代，变频电量测量可用电压、电流组合式的变频功率传感器替代。
霍尔传感器应用
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霍尔传感器技术应用于汽车工业霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。霍尔传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用三种半导体材料，即砷化镓、锑化铟以及砷化铟。最常用的半导体材料当属砷化铟。霍尔传感器的形式决定了放大电路的不同，其输出要适应所控制的装置。这个输出可能是模拟式，如加速位置传感器或节气门位置传感器，也可能是数字式。如曲轴或凸轮轴位置传感器。当霍尔元件用于模拟式传感器时，这个传感器可以用于空调系统中的温度表或动力控制系统中的节气门位置传感器。霍尔元件与微分放大器连接，放大器与NPN晶体管连接。磁铁固定在旋转轴上，轴在旋转时，霍尔元件上的磁场加强。其产生的霍尔电压与磁场强度成比例。当霍尔元件用于数字信号时，例如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器或车速传感器，必须首先改变电路。霍尔元件与微分放大器连接，微分放大器与施密特触发器连接。在这种配置中。传感器输出一个开或关的信号。在多数汽车电路中，霍尔传感器是电流吸收器或者使信号电路接地。要完成这项工作，需要一个NPN晶体管与施密特触发器的输出连接。磁场穿过霍尔元件，一个触发器轮上的叶片在磁场和霍尔元件之间通过。霍尔传感器应用于出租车计价器霍尔传感器在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，送到单片机，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算。检测原理，P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1 m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1 000次时，也就是1 km，单片机就控制将金额自动增加。每当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次，当里程计数器对里程脉冲计满1 000次时，就有程序将当前总额累加，使微机进入里程计数中断服务程序中。在该程序中，需要完成当前行驶里程数和总额的累加操作，并将结果存入里程和总额寄存器中。霍尔电流传感器在变频器中的应用在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。霍尔电流传感器按其工作模式可分为直接测量式和零磁通式，在变频器中由于需要精准的控制及计算，因此选用了零磁通方式。将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：Io=Is(N2/N1)式中，Io为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数，Is为补偿绕组中的电流，N2为补偿绕组的匝数。由上式可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Io。霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，检测电路与被检电路互不影响。
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罗罗日记
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霍尔传感器的原理是什么？有哪些应用？有什么优缺点？
成都的冬天是不是来了，昨天竟开始变得有点小冷了。估计米亚罗的红叶又开始“泛滥”了。但是我哪里也不去，呆在家里写日记。本来我是想接着上一篇，再写一下直流电机，还有伺服电机的。但是，我在看直流电机文档时，发现需要先理解霍尔传感器。所以今天还是先说下霍尔传感器的原理。这篇日记不长...
2020-11-242
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欢迎电气行业的朋友一起交流学习~
关于电流检测的霍尔传感器选型和应用
安科瑞 高佳乐摘 要：电流检测在各个领域的应用越来越广泛，传统的霍尔传感器的灵敏度比较低，受外界影响较大，由此应用新型霍尔传感器来弥补其功能缺陷，介绍了莱姆HO系列霍尔传感器的多项功能，以HO-15-NP霍尔传感器为例，着重介绍了霍尔传感器在电流检测及其线性度方面的介绍。关...
2020-09-070
Acrelwangyang
Acrel Sales Engineer
浅谈基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计-安科瑞 王阳
摘要：根据机载电子设备健康监测和视情维修的要求，发射装置内场测试仪需增加对被测产品进行电流监测的功能;同时，为避免测试期间因过流而导致的产品或测试设备损坏，亟需实现对被测产品的动态过流保护。基于此需求，设计了一种基于霍尔传感器的实现方案。硬件方面，电路由器件、电流监测电路和...
2021-04-270
计量互感器
河北冠赫实业有限公司
霍尔传感器的优势及主要用途
霍尔传感器是世界排名第三的感应器商品，它被广泛运用到工业生产、汽车行业、电脑上、手机上及其新起消费电子产品行业。霍尔效应是磁电效用的一种，这一状况是霍尔于1879年在科学研究金属材料的导电性组织时发觉的。接下来小编带大家看看霍尔传感器的优势及主要用途：很多人都了解，小汽车的...
2020-12-080
响拇指电子
深圳响拇指电子科技有限公司
霍尔传感器在智能坐便器上的应用
智能坐便器起源于美国，用于医疗和老年保健，最初设置有温水洗净功能。后经韩国，日本的卫浴公司逐渐引进技术开始制造，加入了座便盖加热、温水洗净、暖风干燥、杀菌等多种功能。目前市场上的智能坐便器大体上分为两种，一种为带清洗、加热、杀菌等的智能坐便器，另一种为可自动更换薄膜的智能坐...
2020-04-290
参考资料
1.

霍尔效应
．北京航空航天大学．2013-03[引用日期2013-07-18]

霍尔传感器 交流：霍尔电流传感器

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霍尔电流传感器
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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感应强度为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。与磁感应强度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为磁感应强度；VH为霍尔电势。
中文名
霍尔电流传感器
外文名
Hall Current Sensor
名词解释
基本原理 检测原理 补偿原理
工作电源
电流传感器在使用中的优越性
发    展
提高灵敏度、恶劣条件下的稳定性
测电流
为了测量mA级的小电流
参    数
LF-AI12-32A1-0.5/0~5A
工作环境
-10℃~50℃，20%~90%无凝露
响应时间
≤300mS
精度等级
≤0.5%.F.S
目录
1
英文解释
2
基本原理
3
检测原理
4
补偿原理
5
发展
6
测电压
7
输出
8
电压电阻
9
电流计算
10
举例说明
11
工作电源
12
优越性
13
测量方法
14
特点
15
应用方式
16
注意事项
?
如何选型
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使用须知
?
注意事项
17
工作过程
霍尔电流传感器英文解释
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Hall Current SensorHall current transducer
霍尔电流传感器基本原理
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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。
霍尔电流传感器检测原理
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由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。
霍尔电流传感器补偿原理
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原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。知道：Φ1=Φ2I1N1=I2N2I2=NI/N2·I1当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即：U0=I2RM按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从～系列规格的电流传感器。由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。
霍尔电流传感器发展
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霍尔电流传感器要想得到发展。首先就要提高灵敏度、恶劣条件下的稳定性、降低工作电压、微功耗；其次是敏感元件及其处理电路集成化、小型化；第三必须做到功能多样化，同一种敏感机理的敏感器，引用和融合了电子技术其他分支的相关成熟技术，可形成新功能或复合功能的新型品种；最后要便于组网，传感器捕获的信息便于与其上层、下层机接口和有线或无线传输，以利执行、保存、处理。
[1]
霍尔电流传感器测电压
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为了测量mA级的小电流，根据Φ1=I1N1，增加N1的匝数，同样可以获得高磁通Φ1。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压U1上，得到与被测电压U1成比例的电流I1。副边原理同电流传感器一样。当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即 U0=I2RM
霍尔电流传感器输出
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直接检测式（无放大）电流传感器为高阻抗输出电压，在应用中，负载阻抗要大于10KΩ，通常都是将其±50mV或±100mV悬浮输出电压用差动输入比例放大器放大到±4V或±5V。 （a） 图可满足一般精度要求；（b）图性能较好，适用于精度要求高的场合。直检放大式电流传感器为高阻抗输出电压。在应用中，负载阻抗要大于2KΩ。磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。“M”端对电源“O”端为电流I2的通路。因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻RM只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。为了保证高精度测量要注意：①测量电阻的精度选择，一般选金属膜电阻，精度≤±0.5%，详见表1－1，②二次仪表或终端控制板电路输入阻抗应大于测量电阻100倍以上。
霍尔电流传感器电压电阻
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从前面公式知道U0=I2RMRM=U0/I2式中：U0－测量电压，又叫取样电压（V）。I2－副边线圈补偿电流（A）。RM－测量电阻（Ω）。计算时I2可以从磁补偿式电流传感器技术参数表中查出与被测电流（额定有效值）I1相对应的输出电流（额定有效值）I2。假如要将I2变换成U0=5V，RM选择详见表1－1。
霍尔电流传感器电流计算
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输出电流I2的回路是：V+→末级功放管集射极→N2→RM→0，回路等效电阻。（V-～0的回路相同，电流相反）当输出电流I2最大值时，电流值不再跟着I1的增加而增加，我们称为传感器的饱和点。按下式计算I2max=V+-VCES/RN2+RM式中：V+－正电源（V）。VCES－功率管集射饱和电压，（V）一般为0.5V。RN2－副边线圈直流内阻（Ω），详见表，1－2。RM－测量电阻（Ω）。从计算可知改变测量电阻RM，饱和点随之也改变。当被测电阻RM确定后，也就有了确定的饱和点。根据下式计算出最大被测电流I1max：I1max=I1/I2·I2max在测量交流或脉冲时，当RM确定后，要计算出最大被测电流I1MAX，如果I1max值低于交流电流峰值或低于脉冲幅值，将会造成输出波形削波或限幅现象，此种情况可将RM选小一些来解决。
霍尔电流传感器举例说明
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电压传感器原边与副边抗电强度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以测量直流、交流、脉冲电压。在测量电压时，根据电压额定值，在原边+HT端串一限流电阻，即被测电压通过电阻得到原边电流U1/R1=I1、R1=U1/10mA（KΩ），电阻的功率要大于计算值2～4倍，电阻的精度≤±0.5%。R1精密线绕功率电阻，可由厂方代订。电流传感器的接线方法（1） 直检式（无放大）电流传感器接线图。（a） 图是P型（印板插脚式）接发，（b）图是C型（插座插头式）接法，VN.、VN表示霍尔输出电压。（2） 直检放大式电流传感器接线图。（a） 图是P型接法，（b）图是C型接法，图中U0表示输出电压，RL表示负载电阻。（3） 磁补偿式电流传感器接线图。（a） 图是P型接法，（b）图是C型接法（注意四针插座第三针是空脚）以上三种传感器的印板插脚式接法同实物的排列方法是一致的，插座插头接法同实物的排列方法也是一致的，以免接线错误。在以上接线图上，主回路被测电流I1在穿孔中有一箭头示出了电流正方向，实物外壳上也标明了电流正方向，这是电流传感器规定了被测电流I1的电流正方向与输出电流I2是同极性的。这在三相交流或多路直流检测量中是致关重要的。
霍尔电流传感器工作电源
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电流传感器是一种有源模块，如霍尔器件、运放、末级功率管，都需要工作电源，并且还有功耗，实用的典型工作电源原理图。（1） 输出地端集中接大电解上以利降噪。（2） 电容位uF，二极管为1N4004。（3） 变压器根据传感器功耗而定。（4） 传感器的工作电流。直检式（无放大）耗电：最大5mA；直检放大式耗电：最大±20mA；磁补偿式耗电：20+输出电流；最大消耗工作电流20+输出电流的2倍。根据消耗工作电流可以计算出功耗。
霍尔电流传感器优越性
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（1）非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性；原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。（2）使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。（3）使用非常方便，取一只LT100－C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。（4）传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外，工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。在使用微机检测中需信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算机接口。在3KV以上的高压系统，电流、电压传感器都能与传统的高压互感器配合，替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。（5）传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。1. 测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映;2. 响应速度快：最快者响应时间只为1us。3. 测量精度高：其测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3%~5%，且只适合于50Hz 正弦波形。4. 线性度好：优于0.2%5. 动态性能好：响应时间快，可小于1us;普通互感器的响应时间为10~20ms。6. 工作频带宽：在0~100KHz 频率范围内的信号均可以测量。7. 可靠性高，平均无故障工作时间长：平均无故障时间>5 10 小时8. 过载能力强、测量范围大：0---几十安培~上万安培9. 体积小、重量轻、易于安装。由于霍尔电流电压传感器以上的优点，故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。
大口径,开口型电流传感器，交直两用
性能指标：* 执行标准：IEC688：1992，QB* 输入范围：0~800A内可选 如0~100 A，0~500A等* 精度等级：≤1.0%.F.S* 线 性 度：优于0.2%*响应时间：≤1Us
霍尔电流传感器
* 频率特性：0~100KHz* 失调电压：≤20mV* 温度特性：≤150PPM/℃(0~50℃)* 整机功耗：≤30 mA+Ig* 隔离耐压：输入/输出/外壳间 AC2.0KV/min*1mA* 过载能力：2倍电流连续，30倍1秒* 阻燃特性：UL94-V0* 工作环境：-10℃~50℃，20%~90%无凝露* 贮存环境：-40℃~70℃，20%~95%无凝露
霍尔电流传感器测量方法
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1.原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；2.原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；3.需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕十圈(一般情况，NP=1；在内孔中绕一圈，NP=2；……；绕九圈，NP=10，则NP×10A=100A与传感器的额定值相等，从而可提高精度)；
[2]
4.当欲测量的电流值为IPN/10的时，在25℃仍然可以有较高的精度。
霍尔电流传感器特点
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霍尔传感器不论是开环还是闭环原理，基本的性能区别不大，基本的优点在于：响应时间快、低温漂、精度高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强。
霍尔电流传感器应用方式
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基本是HIA-C01和HIB-C15两种闭环原理的霍尔电流传感器较多，基本应用方式是HIA-C01霍尔电流传感器检测前端每一块电池板的发电情况，输出信号给信号采集装置，由信号采集装置经过采集、信号转换等步骤，有线传输至控制中心，由控制中心统一对各个阵列的发电情况进行监控。
霍尔电流传感器注意事项
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霍尔电流传感器如何选型
A.选择电流传感器时需要注意穿孔尺寸是否能够保证电线可以穿过传感器；B.选择电流传感器时需要注意现场的应用环境是否有高温、低温、高潮湿、强震等特殊环境；C.选择电流传感器时需要注意空间结构是否满足。
霍尔电流传感器使用须知
A.接线时注意接线端子的裸露导电部分，尽量防止ESD冲击，需要有专业施工经验的工程师才能对该产品进行接线操作。电源、输入、输出的各连接导线必须正确连接，不可错位或反接，否则可能导致产品损坏。B.产品安装使用环境应无导电尘埃及腐蚀性。C.剧烈震动或高温也可能导致产品损坏，必须注意使用场合。
霍尔电流传感器注意事项
（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用介绍的简易典型稳压电源。（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。
霍尔电流传感器工作过程
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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。
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霍尔电流传感器如何应用于电信整流器和服务器电源？
电信整流器和服务器电源单元（PSU）中的功率因数校正（PFC）电路和逆变电路都需要将高压侧的电流信号检测到位于低压侧的控制器，因此要用到隔离式电流传感器。隔离式电流检测有多种实现方式，例如电流互感器（CT）、隔离放大器和霍尔效应电流传感器。其中，霍尔效应电流传感器因其简便易...
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美国ALLEGRO型号ACS770xCB霍尔电流传感器ic
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美国ALLEGRO型号ACS709：采用耐热增强型封装的高带宽，快速故障响应电流传感器ICAllegro ACS709电流传感器IC为工业，汽车，商业和通信系统中的电流检测应用提供经济，精确的方法。该器件采用小尺寸表面贴装封装，可在客户应用中轻松实现。ACS709由精密线性...
2019-09-210
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霍尔电流传感器的原理及磁饱和问题
霍尔电流传感器工作原理：霍尔电流传感器依据工作原理不同分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。1、开环式霍尔电流传感器工作原理开环式霍尔电流传感器也称：直放式霍尔电流传感器、直检式霍尔电流传感器等。如图1，开环式霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和放大电路构成。磁芯有一...
2019-08-290
参考资料
1.

霍尔电流传感器未来有着更广泛的应用
．中国移动物联网[引用日期2013-05-13]
2.

提高测量精度的方法
．仪器仪表世界网[引用日期2013-04-23]