霍爾電流傳感器的原理及應(yīng)用

時(shí)間：2021-10-13作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：224

 沈建偉

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801
 
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
 
0 引言
       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(hào)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(huì)導(dǎo)致霍爾電流傳感器的零點(diǎn)電壓輸出不穩(wěn)定，甚至**過規(guī)定值。
      
1 開環(huán)式霍爾電流傳感器
      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(huì)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(huì)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(hào)，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(hào)，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(hào)，該實(shí)現(xiàn)方式電路相對(duì)復(fù)雜。


2安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
2.1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(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

圖5霍爾傳感器
 
2.2產(chǎn)品選型
2.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表1
 
2.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表2
2.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
表3
 
2.2.4直流漏電流傳感器
表4
 
 
5結(jié)論
      本文通過使用簡單的電路結(jié)構(gòu)將傳感器供電電壓先升壓后，穩(wěn)壓產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)的穩(wěn)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(zhǔn)的零點(diǎn)電壓。該霍爾電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及體積小的特點(diǎn)，可用于檢測高達(dá)數(shù)百安培的直流電流信號(hào)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(hào)。
作者簡介：沈建偉，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅鳟a(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用，

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