淺談霍爾電流傳感器的原理及應(yīng)用

 

摘要：通過介紹開環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種可以輸出精準(zhǔn)直流偏置電壓的直流霍爾電流傳感器電路，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；電流傳感器；直流霍爾

 

       近年來，霍爾電流傳感器產(chǎn)品因具有良好的精度及線性度、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(yīng)用于航空、航天、通信、儀表、冶金以及鐵路等和民品領(lǐng)域。在很多應(yīng)用中要求霍爾電流傳感器的零點(diǎn)輸出為基準(zhǔn)的2.5V，即檢測電流為零時(shí)，傳感器輸出電壓為2.5V，當(dāng)檢測電流為負(fù)方向時(shí)，傳感器輸出電壓為一個(gè)小于2.5V的電壓值，當(dāng)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性關(guān)系。目前，常規(guī)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精確的固定值，而是一個(gè)范圍，如4.5～5.5V等，這樣會導(dǎo)致霍爾電流傳感器的零點(diǎn)電壓輸出不穩(wěn)定，甚至超過規(guī)定值。

      本文簡單介紹了開環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理，并根據(jù)其應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及體積小的電路，用于檢測高達(dá)數(shù)百安培的直流電流信號并隔離輸出一個(gè)有精準(zhǔn)2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線性關(guān)系的電壓信號。

 

      開環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1開環(huán)式霍爾電流傳感器原理框圖

      根據(jù)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B1，開口磁環(huán)氣隙內(nèi)的磁敏芯片直接測量B的強(qiáng)弱，輸出霍爾電壓V，V經(jīng)線性放大后輸出電壓信Uo。當(dāng)被檢測電流為零時(shí)，開口磁環(huán)內(nèi)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(dāng)有被檢測電流穿過開口磁環(huán)時(shí)，開口磁環(huán)氣隙內(nèi)的霍爾芯片會檢測到磁環(huán)的磁通變化，將在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上輸出一個(gè)與磁通變化量成正比的電壓值，即：

OUT=V+/2+KΔV（1）

      式中，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為通過外圍電阻調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)。如圖1所示，當(dāng)磁力線從磁敏芯片的正面垂直穿過時(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(fù)電壓變化量，即ΔV＜0。

      當(dāng)傳感器供電電壓為5V時(shí)，按照式（1），傳感器會輸出一個(gè)有2.5V偏置電壓且與電流成線性比例的電壓信號，但如果供電電壓不精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精確或相應(yīng)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(zhǔn)直流偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器應(yīng)用較少。常規(guī)做法是先隔離傳感器的直流偏置電壓，只輸出一個(gè)與原邊電流成線性關(guān)系的零偏置電壓信號，然后再使用運(yùn)放加法器加上一個(gè)由基準(zhǔn)穩(wěn)壓源得到的2.5V基準(zhǔn)電壓信號，該實(shí)現(xiàn)方式電路相對復(fù)雜。

 

      本文在上述開環(huán)式霍爾電流傳感器電路的基礎(chǔ)上增加簡單的電子元器件，通過升壓在一定范圍內(nèi)變化的低壓供電信號，然后經(jīng)過基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路變換成一個(gè)+5.0V的基準(zhǔn)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(zhǔn)零點(diǎn)偏置電壓。磁敏檢測電路檢測開口磁環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換成與之成線性關(guān)系的電壓信號，與基準(zhǔn)的2.5V疊加，經(jīng)過電壓跟隨電路后輸出，即實(shí)現(xiàn)上述有2.5V直流偏置電壓輸出的直流線性霍爾電流傳感器輸出。該電路由升壓電路、基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、磁敏檢測電路以及電壓跟隨電路組成，原理框圖如圖2所示。

圖2有精準(zhǔn)直流偏置輸出的霍爾傳感器

正常工作時(shí)，4.5～5.5V范圍內(nèi)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(shè)定值，Vbst經(jīng)基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路變換成精確的+5.0V，以給磁敏檢測電路供電。磁敏檢測電路檢測開口磁環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度并輸出一有偏置電壓的直流電壓Vo1，且有：

Vo1=2.5+KΔV（2）

      式中，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(shù)，可由外部電阻等調(diào)節(jié)，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(nèi)部的霍爾器件決定。Vo1經(jīng)過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(fù)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精確的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(nèi)變化時(shí)磁敏芯片的零點(diǎn)輸出穩(wěn)定，需要為磁敏芯片提供一個(gè)精準(zhǔn)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精確穩(wěn)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，最大輸出電流50mA，無需電感，外圍器件少，具有短路保護(hù)及過溫保護(hù)等功能。

圖3升壓電路

 

2.2基準(zhǔn)穩(wěn)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(zhǔn)的2.5V輸出電壓，需要為磁敏芯片提供精準(zhǔn)的5V電壓，故使用穩(wěn)壓電路將已經(jīng)抬高的12V電壓轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的5V電壓，為磁敏芯片供電，穩(wěn)壓電路原理圖如圖4。其中，D1為穩(wěn)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(diào)壓電阻，用于調(diào)節(jié)輸出電壓為精準(zhǔn)的5V，精準(zhǔn)的5V可以由分壓電阻得到精準(zhǔn)的2.5V。

圖4基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路

 

      基于本文創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)的0～150A直流霍爾電流傳感器，經(jīng)檢測后線性輸出2.5～3.5V的直流電壓。其測試數(shù)據(jù)如表1所示。由結(jié)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(nèi)偏差為10mV。

 

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(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)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(yīng)時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

圖5霍爾傳感器

 

4.2產(chǎn)品選型

4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2