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      淺談霍爾電流傳感器的原理及應用
      通過(guò)介紹開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理,在此基礎上提出了一種可以輸出精準直流偏置電壓的直流霍爾電流傳感器電路,并通過(guò)試驗進(jìn)行了驗證。
      近年來(lái),霍爾電流傳感器產(chǎn)品因具有良好的精度及線(xiàn)性度、檢測電壓與輸出信號高度隔離、高可靠性、低功耗以及維修更換方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于航空、航天、通信、儀表、冶金以及鐵路等軍品和民品領(lǐng)域。在很多應用中要求霍爾電流傳感器的零點(diǎn)輸出為基準的2.5V,即檢測電流為零時(shí),傳感器輸出電壓為2.5V,當檢測電流為負方向時(shí),傳感器輸出電壓為一個(gè)小于2.5V的電壓值,當檢測電流正方向時(shí),傳感器輸出電壓為一個(gè)大于2.5V的電壓值,檢測電流與輸出電壓變化成線(xiàn)性關(guān)系。目前,常規的霍爾元件零點(diǎn)輸出電壓為供電電壓的一半,而很多霍爾電流傳感器的供電電壓不是*確的固定值,而是一個(gè)范圍,如4.5~5.5V等,這樣會(huì )導致霍爾電流傳感器的零點(diǎn)電壓輸出不穩定,甚至超過(guò)規定值。
      本文簡(jiǎn)單介紹了開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理,并根據其應用設計了一個(gè)結構簡(jiǎn)單、成本低以及體積小的電路,用于檢測高達數百安培的直流電流信號并隔離輸出一個(gè)有精準2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號。
      1、開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器
      根據安培定律,原邊被測電流I×N將產(chǎn)生與電流成正比的磁場(chǎng)B1,開(kāi)口磁環(huán)氣隙內的磁敏芯片直接測量B的強弱,輸出霍爾電壓V,V經(jīng)線(xiàn)性放大后輸出電壓信Uo。當被檢測電流為零時(shí),開(kāi)口磁環(huán)內零磁通,磁敏芯片的零點(diǎn)輸出電壓為供電電壓的一半,即V+/2,當有被檢測電流穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)時(shí),開(kāi)口磁環(huán)氣隙內的霍爾芯片會(huì )檢測到磁環(huán)的磁通變化,將在零點(diǎn)電壓的基礎上輸出一個(gè)與磁通變化量成正比的電壓值,即:OUT=V+/2+KΔV,OUT為磁敏芯片的輸出電壓,V+/2為零點(diǎn)輸出電壓,ΔV為磁敏芯片的靈敏度,即單位磁通變化引起的電壓變化量,K為通過(guò)外圍電阻調節的放大倍數。如圖1所示,當磁力線(xiàn)從磁敏芯片的正面垂直穿過(guò)時(shí),芯片將輸出一個(gè)正向的變化量電壓,即ΔV>0,反之則輸出負電壓變化量,即ΔV<0。
      當傳感器供電電壓為5V時(shí),按照式(1),傳感器會(huì )輸出一個(gè)有2.5V偏置電壓且與電流成線(xiàn)性比例的電壓信號,但如果供電電壓不*確或者誤差范圍較大時(shí),傳感器輸出電壓的直流偏置將不*確或相應地的誤差較大,如供電電壓為4.6V時(shí),傳感器的零點(diǎn)偏置電壓將是2.3V,誤差太大。
      目前,業(yè)界有精準直流偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器應用較少。常規做法是先隔離傳感器的直流偏置電壓,只輸出一個(gè)與原邊電流成線(xiàn)性關(guān)系的零偏置電壓信號,然后再使用運放加法器加上一個(gè)由基準穩壓源得到的2.5V基準電壓信號,該實(shí)現方式電路相對復雜。
      2、有偏置電壓電路設計
      本文在上述開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器電路的基礎上增加簡(jiǎn)單的電子元器件,通過(guò)升壓在一定范圍內變化的低壓供電信號,然后經(jīng)過(guò)基準穩壓電路變換成一個(gè)+5.0V的基準電壓,以給磁敏檢測電路供電,從而產(chǎn)生一個(gè)2.5V的基準零點(diǎn)偏置電壓。磁敏檢測電路檢測開(kāi)口磁環(huán)內的磁場(chǎng)強度并轉換成與之成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號,與基準的2.5V疊加,經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路后輸出,即實(shí)現上述有2.5V直流偏置電壓輸出的直流線(xiàn)性霍爾電流傳感器輸出。該電路由升壓電路、基準穩壓電路、磁敏檢測電路以及電壓跟隨電路組成,正常工作時(shí),4.5~5.5V范圍內的直流供電電壓經(jīng)升壓電路升至一定值Vbst,如12V或其他可設定值,Vbst經(jīng)基準穩壓電路變換成*確的+5.0V,以給磁敏檢測電路供電。磁敏檢測電路檢測開(kāi)口磁環(huán)內的磁場(chǎng)強度并輸出一有偏置電壓的直流電壓Vo1,且有:Vo1=2.5+KΔV,2.5V為磁敏檢測電路的零點(diǎn)輸出電壓,該電壓為磁敏檢測電路供電電壓的一半,K為磁敏檢測電路放大倍數,可由外部電阻等調節,ΔV為磁敏檢測電路的靈敏度,即單位檢測電流變化引起的磁敏芯片輸出電壓變化量,該變化量由磁敏芯片內部的霍爾器件決定。Vo1經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路后直接輸出Vout,電壓跟隨器的作用是提高傳感器電路的帶載能力,避免外接負載對傳感器的輸出電壓造成影響。
      2.1升壓電路
      一般傳感器供電電源并不是*確的5.0V,而是一個(gè)電壓范圍,如4.5~5.5V,而磁敏芯片零磁通時(shí)的輸出電壓為供電電壓的一半,為保證供電電壓在允許范圍內變化時(shí)磁敏芯片的零點(diǎn)輸出穩定,需要為磁敏芯片提供一個(gè)精準的5V供電電壓,即需要將4.5~5.5V供電電壓抬高后再變換成*確穩定的5V電壓。其原理圖如圖3。U1為升壓芯片,可以將4.5~5.5V供電電壓抬升至11.4~12.6V,*大輸出電流50mA,無(wú)需電感,外圍器件少,具有短路保護及過(guò)溫保護等功能。
      2.2基準穩壓電路
      由于磁敏芯片的輸出電壓為供電電壓的一半,因此為了使磁敏芯片獲得精準的2.5V輸出電壓,需要為磁敏芯片提供精準的5V電壓,故使用精密穩壓電路將已經(jīng)抬高的12V電壓轉換為精準的5V電壓,為磁敏芯片供電,精密穩壓電路原理圖如圖4。其中,D1為精密穩壓電源芯片TL431,R9為限流電阻,用于限制后級電路電流,R2、R5以及R11為調壓電阻,用于調節輸出電壓為精準的5V,精準的5V可以由分壓電阻得到精準的2.5V。
      3、試驗驗證
      基于本文chuang新性電路設計的0~150A直流霍爾電流傳感器,經(jīng)檢測后線(xiàn)性輸出2.5~3.5V的直流電壓。其測試數據如表1所示。由結果可以看出,該霍爾電流傳感器零點(diǎn)偏差為9mV,額定電流范圍內偏差為10mV。
      4、安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
      4.1產(chǎn)品介紹
      霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換,通過(guò)霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應時(shí)間快,電流測量范圍寬精度高,過(guò)載能力強,線(xiàn)性好,抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器,UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。
      本文通過(guò)使用簡(jiǎn)單的電路結構將傳感器供電電壓先升壓后,穩壓產(chǎn)生一個(gè)基準的穩壓電壓給磁敏芯片供電,使得磁敏檢測電路產(chǎn)生一個(gè)精準的零點(diǎn)電壓。該霍爾電流傳感器具有結構簡(jiǎn)單、成本低以及體積小的特點(diǎn),可用于檢測高達數百安培的直流電流信號并隔離輸出一個(gè)有精準2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號。
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