【技术专辑】理解和应用霍尔效应

霍尔效应是由Edwin Hall于1879年发现的,但是在技术发展使集成电路有可能充分利用这一现象之前的许多年。今天,霍尔效应传感器IC提供了一种方便的方法来实现精确的电流测量,从而保持测量电流路径和测量电路之间的电气隔离。

 

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初学者

 

从洛伦兹到霍尔

 

霍尔效应是洛伦兹力的延伸,其描述了施加在带电粒子上的力 - 例如通过磁场移动的电子。如果磁场垂直于电子运动方向取向,则电子经历垂直于运动方向和磁场方向的力。

 

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霍尔效应是指洛伦兹力作用于通过导体移动的电子的情况,使得电位差 - 换句话说,电压 - 在导体的两侧之间产生。

 

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注意,该第二图中的箭头表示常规电流的方向,意味着电子沿相反方向行进。洛伦兹力的方向由右手定则控制,该定律考虑了电子相对于磁场行进的方向。在第一张图中,电子向右移动,洛伦兹力向上移动。在第二个图中,当电子向左流动时,洛伦兹力向下,因此负电荷向导体的底部边缘累积。结果是在导体的上边缘和下边缘之间产生的电位差,其中上边缘比下边缘更正。这种电位差称为霍尔电压:

 

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该方程适用于载流板,告诉我们霍尔电压与流过导体的电流幅度(I),磁场强度(B),基本电子电荷(e),每单位体积的电子数(ρ)和板的厚度(t)。

 

利用霍尔效应

 

通过霍尔效应产生的电压相对于通常影响电路的噪声,偏移和温度影响较小,因此基于霍尔效应的实用传感器在半导体技术的进步允许高度集成的组件包含霍尔元件和放大和调节霍尔电压所需的附加电路。尽管如此,霍尔效应传感器在测量小电流方面的能力有限。例如,Allegro MicroSystems的ACS712的灵敏度为185 mV / A. 这意味着10 mA的电流将产生仅1.85 mV的输出电压。如果电路具有低本底噪声,则该电压可以接受,但如果电流路径中可以包括2Ω电阻,则产生的20mV输出电压将是一个重大改进。

 

霍尔效应与各种传感器应用相关; 基于电流,磁场和电压之间的这种相对简单的关系的装置可用于测量位置,速度和磁场强度。然而,在本文中,我们将关注通过霍尔电压测量电流的设备,当由测量电流引起的磁场集中到集成霍尔效应元件时产生霍尔电压。

 

优点和缺点

 

性能特征因霍尔效应电流传感器而异,因此很难精确地总结霍尔效应传感相对于其他常见电流检测技术的优缺点。即,将精密电阻器插入电流路径并使用差分放大器测量产生的电压降。但是,一般而言,霍尔效应传感器的价值在于“非侵入性”,并且用于在电流路径和测量电路之间提供电隔离。这些器件被认为是非侵入式的,因为没有大量的电阻插入电流路径中,因此被测电路的行为几乎就像传感器不存在一样。另一个好处是传感器消耗的功率最小;

 

关于精度,目前可用的霍尔效应传感器可以实现低至1%的输出误差。精心设计的电阻式电流检测电路可以超越这一点,但在霍尔效应器件特别适合的高电流/高电压应用中,1%通常是足够的。

 

霍尔效应传感器的缺点包括有限的频率范围和更高的成本。ACS712的内部带宽为80 kHz,Melexis MLX91208作为“宽带”器件销售,规格高达250 kHz。另一方面,具有高速放大器的电阻式电流检测电路可以在兆赫范围内良好地工作。而且,如上所述,霍尔效应在测量小电流方面固有地受到限制。

 

隔离

 

霍尔效应传感器的主要优点之一是电气隔离,其在电路或系统设计环境中通常被称为电流隔离。只要设计要求两个电路以防止任何直流电流的方式通信,就会涉及电流隔离原理。一个简单的例子是当数字信号通过光隔离器时,该隔离器将电压脉冲转换为光脉冲,从而光学地而不是电学地传输数据。实施电流隔离的主要原因之一是防止与接地回路相关的问题:

 

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基本电路设计原则假设互连元件共用一个公共接地节点,假定为0V。然而,在现实生活中,“接地节点”由具有非零电阻的导体组成,这些导体用作返回路径电流从电路流回电源。欧姆定律提醒我们,电流和电阻会产生电压,而返回路径中的这些电压降意味着电路或系统的一部分中的“接地”与另一部分中的“接地”不同。地面潜力的这些差异可能导致从可忽略不计到灾难性的问题。

 

通过防止两个电路之间的直流电流,电流隔离使具有不同接地电位的电路能够成功通信。这与电流检测应用特别相关:低压传感器和处理电路可能需要监控例如电机驱动电路中的大的,高度可变的电流。这些大的,快速变化的电流将导致返回路径中的相当大的电压波动。霍尔效应传感器允许系统监控驱动电流并保护高精度传感器电路免受这些有害的地面波动。

 

共模电压

 

霍尔效应传感器的另一个重要应用是涉及高电压的电流测量。在电阻电流检测电路中,差分放大器测量电阻器一侧与另一侧之间的电压差。但是,当这些电压相对于地电位较大时会出现问题:

 

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现实生活中的放大器具有有限的“共模范围”,这意味着当输入电压相对于地面相对较小时,器件将无法正常工作。电流检测放大器的共模范围通常不会超过80或100 V.另一方面,霍尔效应传感器可以将电流转换为电压,而无需参考测量电路的地电位。因此,只要电压不足以引起物理损坏,共模电压就不会影响霍尔效应器件的工作。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计