电流传感器（霍尔元件）使用教程——以ACS712ELCTR为例

霍尔元件的原理

霍尔元件是一种半导体磁电器件，它是利用霍尔效应来进行工作的。
早在1879年人们就在金属中发现了霍尔效应，1910年就有人用铋制成了霍尔元件，用以测量磁场。但由于这种效应在金属中十分微弱，当时并没有引起什么重视。1948年后，由于半导体技术的迅速发展，人们找到了霍尔效应较为显著的半导体材料——锗（Ge），接着，在1958年前后，人们又对化合物半导体——锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）进行了大量的研究，并制成了较为满意的元件。这时霍尔效应以及它所具有的广泛的应用才受到了人们普遍的重视。
霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

  所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈极强的霍尔效应。
  利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为：
  式中 RH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或*电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度；d――导体的厚度。
  对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式和式（2）不同。
  由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不和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。
  若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由
确定。
  利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
  如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔电流传感器——ACS712ELCTR

  下图为霍尔传感器数据手册的首页：
  下图是标有系数（Sensitivity）的数据手册页面：

  下面引用“_Nickelback”对ACS712ELCTR的讲解，我对其进行了一定程度的修改，这些观点写于2018年11月。

关于ACS712ELCTR

Allegro 电流传感器的共同点：
1.
芯片级霍尔电流传感器，串联在电流回路中，外围电路简单。
2. 开环模式的霍尔电流传感器（因体积问题，芯片级霍尔电流传感器无法做到闭环模
式。）
3. 可测交直流电流。
4. 无需检测电阻，内置毫欧级路径内阻。
5. 单电源供电，原边无需供电。
6. 80~120KHz 的带宽，外围滤波电容可调整带宽与噪声的关系。
7. 输出加载于0.5Vcc 上，非常稳定的斩波输出。
8. us 级响应速度，精度在-40~85℃时小于2%
9. 带抑制干扰的特殊封装工艺。
10. 非常好的一致性与可靠性。年出厂不合格率小于1PPM。
  从ACS712 的内部框图与封装解剖图可以看出，原边电流只是从芯片内部流过，与副边
电路并没有接触，原边与副边是隔离的，因为封装小，所以ACS712 的隔离电压为2100V。
因为电流的流过会产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部
的放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号。
  ACS712 根据尾缀的不一样，量程分为三个规格：5A、20A、30A，温度等级均为E 级（-40~85℃）。输入与输出在量程范围内为良好的线性关系，其系数Sensitivity 分别为，185、100、66mV/A。因为斩波电路的原因，其输出将加载于0.5Vcc 上。ACS712 的Vcc 电源一般建议采用5V。输出与输入的关系为Vout=0.5Vcc+IpSensitivity。一般输出的电压信号介于0.5V~4.5V之间。
  Ip+与Ip-之间流经芯片内部的那一部份，我们称之为内置路径内阻，其阻值为1.2mΩ.
当大电流流经它时，所产生的功耗很小，如30A 满量程的电流流经它时，产生的功耗为
P=3030*1.2/1000=1.08W。
  ACS 712 的全温度范围的精度为±1.5%。在25~85℃时，精度特性更好。输入与输出之
间的响应时间为5us。带宽为80KHz，通过调整滤波脚与地之间的滤波电容，可根据客户的
要求来调整噪声与带宽的关系，电容取值大，带宽小，噪声小。

ACS712ELCTR应用电路

测量直流电流

最简单的应用电路原理图如下图所示：
实际搭建电路如下：

  根据公式 V o u t = 0.5 V c c + I p ∗ S e n s i t i v i t y Vout=0.5Vcc+Ip*Sensitivity Vout=0.5Vcc+Ip∗Sensitivity，电流值就等于 ( 3 − 2.5 ) / 100 = 5 A (3-2.5)/100=5A (3−2.5)/100=5A，与实际值基本一致。