图 3-2 霍尔电流传感器拆解图
通过对一款现成的霍尔电流传感器的拆解， 加深了对霍尔传感器的认识， 也验证了霍尔 传感器由霍尔元件、 聚磁环和放大调理电路组成。 下文分别对霍尔电流和霍尔电压传感器的 工作原理做详细的介绍。
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3.2 霍尔电流传感器的结构和工作原理 按照传感器输出电压/电流有有无闭环反馈，电流传感器可以分为磁平衡式（闭环）和 直测式（开环）霍ห้องสมุดไป่ตู้电流传感器。下文先介绍直测试传感器，原理图如 3-3 所示。
B a
I e
b
图 2-1 霍尔效应原理图
UH
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3. 霍尔电压电流传感器
霍尔电流传感器分为开环式（直测式）霍尔电流传感器和闭环式（磁平衡式）霍尔电流 传感器， 而霍尔电压传感器一般都采用磁平衡式即闭环式的结构。 下文将对霍尔传感器的结 构框图、工作原理和性能做详细分析和介绍。 3.1 霍尔传感器结构框图 霍尔电压电流传感器一般由三个部分组成，包括霍尔元件、聚磁环和放大调理电路。其 中，聚磁环包括磁性铁芯、一次侧线圈、二次侧线圈等结构，也就是图 3-1 中所示的产生交 变磁场的模块。霍尔传感器的机构框图如下图 3-1 所示。
I p B Vout
普通的霍尔电流传感器的输出 Vout 一般在 0.5V 到 4.5V 之间。
(3-1)
开环霍尔电流传感器的缺点是它的测量范围即原边电流 I P 的取值和带宽（Frequency Bandwidth）等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔元件是磁场强度检测器，它检测的是 磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁场强大也随着增大，磁芯可能达到饱和。同时， 随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影 响。为了避免这些不良影响，可采取一些改进措施该，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材 料，制成多层磁芯，采用多个霍尔元件来进行检测等。但是，这就增加了制造的成本，且精 度也不太理想。所以，磁平衡式的霍尔电压电流传感器就开始出现了。
磁性/聚磁环
霍尔元件
+Vc
变换磁场B
放大电路
-Vc
输出电压 Vout
原边电流Ip
图 3-3 开环式霍尔电流传感器原理图
当测量电流， 也就是原边电流 I P（Primary Current） 流过一根长导线时， 如图 3-3 所示。 原边电流 I P 会在导线周围产生一个磁场，方向为顺时针方向，磁场 B 的大小与电流的大小 成正比关系。由原边电流激发的磁场聚集在磁环内，通过气隙将磁场加到了霍尔元件上。此 时，霍尔元件上会产生一个霍尔电压 U H ，该电压信号通过后级的放大电路和调理电路（图 3-3 中并未标出） ，输出一个与磁场 B 大小乘正比的电压 Vout ，即
Abstract: Equipping with advanced electrical specifications, hall current & voltage transducer is a developed electrical detecting component mixed with galvanic isolation between the primary circuit (high power) and the secondary circuit (electronic circuit). In the past decades, hall current & voltage transducer has been developed constantly, and widely applied in automobile industry, industrial control, consumer electronics, power inverter, servo motor, uninterrupted power supply. In this paper, the characteristic and application of hall current & voltage transducer has been investigated. Being inspired by oscilloscope current clamp, a simplified current detection device has been designed. Key words: Hall effect, Current transducer, Voltage transducer, Hall sensor
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如图 3-4 所示为闭环霍尔电流传感器的原理图。 闭环霍尔电流传感器， 也就是磁平衡式 霍尔电流传感器，也称补偿式传感器，即原边电流 I P 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 I S 精确的反映原边电流 I P ，即
' 原边电流 I P 被移到了外边，由原边电压 VP 和限流电阻 Ri 产生 I P 。另外在霍尔电流传感器 ' 中原边线圈匝数 N P 一般都为 1， 而在霍尔电压传感器中原边线圈匝数 N P 的值一般都很大。
磁芯 原边电流 Ip
+Vc
限流电阻 Ri
原边电压 Vp
霍尔元件
运算放大器 -Vc
限流电阻 Ri 原边线圈 副边补偿线圈
FE FL
此时，自由电子不再偏移，输出的霍尔电压 U H 也保持稳定。
(2-1)
这种现象是霍尔首先发现的, 因此,称之为霍尔效应, 板两侧形成的电势差称 U H 为霍 尔电压。一般而言, 半导体的霍尔效应比导体和电解液显著得多。霍尔的这一发现在当时 震动了科学界, 以至于许多科学家纷纷研究该领域。
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器放大后才能驱动后级的三极管。由于后级的开关管在集电极和发射机之间已经有正向电 压，所以当放大后的霍尔电压加到基极上时，开关管导通，从后获得一个补偿电流 I s 。 这一电流再通过匝数 N S 的副边补偿线圈产生磁场，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， 使霍尔元件的输出电压 U H 逐渐减小。 当 I S N S I P N P 时，
I s 不再增加，这时的霍尔元件起到指示零磁通的作用，此时可以通过 I s 的大小来测量 I P 的
大小，即
IP
IS NS NP
(3-4)
3.3 霍尔电压传感器的结构和工作原理 霍尔电压传感器一般都采用磁平衡式（闭环式）结构，工作原理和霍尔闭环电流传感器 类似。 霍尔电压传感器的原理图如 3-5 所示， 和霍尔电流传感器原理图 3-4 比较， 可以看出，
电压和电流霍尔传感器结构、原理及 应用
摘要：霍尔电压电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路和控制电路的电检测元件。 霍尔电压电流传感器在近十几年的发展十分迅猛，广泛应用与汽车工业、工业控制、消费电子、逆变器、 伺服电机、UPS 电源等领域。本文简要的介绍了霍尔电压电流传感器的结构原理及其应用。受到示波器电 流钳的启发，本文设计了一种简易的电流检测装置。 关键词：霍尔效应、电流传感器、电压传感器、霍尔传感器
磁芯
+Vc
霍尔元件
运算放大器
-Vc 副边电流 Is Rm 输出电压、
Vout
原边电流 Ip
副边补偿线圈
测量电阻
图 3-4 闭环式霍尔电流传感器的原理图
上图说是的闭环式霍尔电流传感器的具体工作过程为：当原边有一电流 I P 通过时，将 在导线周围激发出一个磁场，聚磁环将大部分的磁能聚集在一起，将磁场垂直地加到霍尔 元件上，由此产生一个微弱的霍尔电压 U H 。由于该霍尔电压的数值很小，需要通过放大
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1. 引言
霍尔电压电流传感器在近十几年的发展十分迅猛，广泛应用与汽车工业、工业控制、消 费电子、逆变器、伺服电机、UPS 电源等领域。霍尔传感器是一种磁性传感器，追踪溯源， 磁性传感器大多都是以霍尔效应为理论基础。自霍尔效应在 1879 年被 Edwin Herbert Hall 发 现以来，已经发展了近两三个世纪，尤其近十几年来，由此衍生的霍尔传感技术产业发展更 为迅猛，更为蓬勃。 在电力电子系统中，安全性、稳定性和准确度是最重要的考虑因素。为了满足安全性和 稳定性的要求， 适当的电压和电流传感器被用来对电压和电流进行测量以实现故障保护和反 馈调节。正是因为在电力电子系统中，随着高速全控型开关器件的诞生，和新型控制策略的 应用，无论是控制电路中还是主电路中的电压和电流信号都不再是传统的 50Hz 正弦波，而 是各种形状复杂的脉动信号，且主电路和控制回路之间要隔离。针对这类系统中，电压和电 流往往有很高时变性，即
供电电压
霍尔元件
放大调理电路
输入电压/电流
由原边电流激发的交变磁 场
图 3-1 霍尔电压电流传感器结构框图
为了对霍尔传感器有一个更加详细的了解， 本文在研究霍尔传感器之前， 对实验室现有 的一款有 TOKEN 公司生产的霍尔电流传感器进行了拆解，拆解图如 3-2 所示。可以看出，该 传感器的外壳由厚厚的绝缘橡胶包裹而成， 里面含有铜芯线圈， 传感器的底部含有一快 PCB， 也就是信号放大和处理模块，上面布满了密密麻麻的元器件。
I S NS I P NP
(3-2)
(3-2)式中的 N S 指的是副边补偿线圈的匝数， N P 指的是通过聚磁环的原边导线的匝数，通 常 N P 1 ，则补偿电流，即输出电流等于
Is
IP NS
(3-3)
负反馈自动补偿式的电流传感器整个模型大致由磁芯（聚磁环） 、霍尔元件、放大调理 电路、副边补偿线圈、反馈环节和外部测量电阻组成。和开环式的霍尔电流传感器比较，可 以发现，闭环式的在磁芯上头缠绕了匝数为 N S 的副边补偿线圈，并且在放大器的输出端接 入了放大反馈调节。由图可知，传感器的输出为电流信号 I s ，在适用霍尔传感器的时候，我 们必须再外接一个测量电阻 Rm ,以此得到电压信号。