霍爾元件及其應(yīng)用

1、霍爾元件及其應(yīng)用        霍爾元件及其應(yīng)用（六）   圖39霍爾電流傳感器在逆變器中的應(yīng)用 （CS為霍爾電流傳感器）  圖40霍爾電流傳感器在UPS中的應(yīng)用 （1、2、3均為霍爾電流傳感器）  圖41霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用 在逆變器中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。應(yīng)用線路如圖39所示。 如圖40所示，霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，傳感器3控

2、制浮充電源。用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。由于其響應(yīng)速度快，特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。 在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控制作用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，又不致引入損耗，如圖41所示。 電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。其控制原理示 圖42霍爾電流傳感器在電車斬波器中的應(yīng)用  圖43在變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用

3、（I，R，S，T均為霍爾電流傳感器）   圖45霍爾接地故障檢測(cè)器的原理和結(jié)構(gòu)  于圖42。圖中，SCR1是主串聯(lián)晶閘管，SCR2為輔助晶閘管，Lo、Co組成輸入濾波器，Ls是平滑扼流圈，M1M5是霍爾電流傳感器。 用變頻器來(lái)對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1s，因此，出現(xiàn)過(guò)載短路時(shí)，在晶全管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)，如圖43所示。 在配電和各種用電設(shè)備中

4、，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來(lái)進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電安全。圖45示出一種霍爾接地故障監(jiān)測(cè)裝置。 圖46電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器的原理框圖 將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開(kāi)口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過(guò)的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。圖48示出一種數(shù)字鉗形交流電流表的線路。 用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。 使負(fù)載電壓變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，即可構(gòu)成霍爾功率計(jì)。由霍爾器件輸出的霍爾電壓來(lái)指示功率，其工作原理如圖49所

5、示。 在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量用電力工頻諧波儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，將各種電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明霍爾電流傳感器最為適用。對(duì)比結(jié)果如表8所示。 表8電力工頻諧波分析儀中使用的3種接口部件 的比較（LEM模塊是一種霍爾零磁通電流傳感器） CT和PT 電阻取樣與光耦隔離電路 LEM模塊 線性度 <0.5 <0.1 頻率范圍 較窄 030kHz 0100kHz 對(duì)各次諧波幅度有否衰減及衰減一致性 有，不一致 無(wú) 無(wú) 對(duì)各次諧波有否相移及相移一致性

6、有，不一致 很小，可以忽略 很小，可以忽略 所需電源 不需要 二組 一組 輔助電路 無(wú) 恒溫電路 無(wú) 體積 大 大 小 重量 重 輕 輕 安裝是否方便 不便 不便 方便 調(diào)試難易程度 容易 較難 容易  接口部件 開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關(guān)系來(lái)維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來(lái)完成?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅饕云漕l帶寬、響應(yīng)時(shí)間快以及安裝簡(jiǎn)便而成為首選的電流、電壓傳感器。 在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗(yàn)裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備

7、。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來(lái)進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制，既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測(cè)試裝置。圖47示出一種用于DD托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測(cè)高達(dá)到300kA的電流。 圖47（a）為G10安裝結(jié)構(gòu)，中心為電流匯流排，(b)為電纜型多霍爾探頭，(c)為霍爾電壓放大電路。 (a)G10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路 圖47多霍爾探頭大電流傳感器  圖48霍爾鉗形數(shù)字電流表線路示意圖  圖49霍爾功率計(jì)原理圖  (a)霍爾控制電路 (b)霍爾磁場(chǎng)電路 圖5

8、0霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器  圖51霍爾電度表功能框圖 圖52霍爾隔離放大器的功能框圖  利用霍爾器件的乘法器功能，還可構(gòu)成三相功率變送器，用以檢測(cè)三相平衡或不平衡負(fù)載電路的三相有功功率和無(wú)功功率。圖50示出霍爾三相功率變送器的乘法器。將其霍爾電壓經(jīng)濾波、放大和輸出變換后，將三相功率量變成直流電壓和電流。直流電壓可供給遠(yuǎn)動(dòng)裝置、巡檢裝置等，直流電流可供給近距離測(cè)量及儀表等。三相功率變送器是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 在前述功率計(jì)后加上V/f變換及分頻計(jì)數(shù)，即可構(gòu)成電度表，加上磁卡讀出裝置，可構(gòu)成磁卡電度表。 圖51示出霍爾磁卡電度表的功能框圖。 以霍爾器件為

9、功率指示器，還可構(gòu)成各種各樣的功能電表，在這些電表中加入一些功能電路可構(gòu)成例如帶絕緣缺陷檢測(cè)的電度表，竊電檢測(cè)電度表等。以霍爾器件的基本功能為基礎(chǔ)，還可能集成多功能家用電表，可同時(shí)顯示電流、電壓，用電度數(shù)及電費(fèi)、功率因數(shù)、諧波電壓等等?；魻栯姸缺砜赡艹蔀樽罴训闹悄茈姸缺碇?。 霍爾隔離放大器的原理框圖示于圖52，是以霍爾元件為中心，構(gòu)成一個(gè)自平衡弱電流比較儀，用以取代變壓器耦合隔離放大器中的調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)，使線路簡(jiǎn)化。仔細(xì)調(diào)整電流比較儀的電路，將放大器的頻帶大大展寬，使之可達(dá)DC2MHz，而且保持了磁耦合隔離放大器的增益精度和光耦合隔離放大器的線性度，是一種高精度寬頻帶的隔離放大器。隔離放大器

10、在空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)療和儀器儀表中有十分重要的應(yīng)用。 用霍爾電流傳感器的工作原理，可做成電磁耦合器。用初級(jí)線圈的電流控制霍爾器件的輸出，用這個(gè)輸出信號(hào)控制其它的電路，既收到隔離的效果，又達(dá)到耦合的目的。用這種電路可做成霍爾繼電器、過(guò)載保護(hù)器、通信線路的保護(hù)開(kāi)關(guān)等等。 這種電磁耦合器既可做成開(kāi)關(guān)式，也可做成模擬量輸出式。 此外，用霍爾器件還可檢測(cè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速；測(cè)量磁性材料的磁化強(qiáng)度、各向異性、旋轉(zhuǎn)損耗和時(shí)間效應(yīng)；測(cè)量直流電機(jī)的電磁力矩等等；還可和熱磁材料組合起來(lái)，構(gòu)成熱磁開(kāi)關(guān)。霍爾器件已實(shí)現(xiàn)的各種應(yīng)用如表9所列。 4.結(jié)束語(yǔ) 這里的介紹，除霍爾電流傳感器外，都僅簡(jiǎn)述了應(yīng)用中磁信息的采集和磁電轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單原理，對(duì)輸出信號(hào)的處理和應(yīng)用，沒(méi)有作具體討論。好在霍爾器件的輸出，可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)（例如電阻性、電感性等）的負(fù)載，使用者可根據(jù)需要進(jìn)行處理。 總之，因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)