淺談霍爾傳感器的設計及在電流檢測中的應用

時間：2022-04-25作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：177

摘要：基于霍爾效應的電流傳感器可以提高電流檢測精度等特點，本文以傳感器 ACS712 為例，簡單的分析了霍爾傳感器在電
流檢測中的應用。

關鍵詞：電流檢測 ；霍爾傳感器 ；ACS712




0 引言
電流檢測技術始終都在電力電子設備性能檢測方面及自動化領域等方面被廣泛的應用。一般來說，電流檢測技術的主要器件即為檢測器件，常用的有阻抗性分流器、互感器及霍爾傳感器。其中阻抗性分流器在工作狀態(tài)中時是與負載串聯(lián)在一起的，無法采用隔離測量 ；而互感器只能用于工頻 50Hz 的交流測量；霍爾傳感器則結(jié)合了兩者的優(yōu)點，既可以應用于電氣隔離測量，又可以用于檢測直流、交流、并且可以檢測到電流的瞬態(tài)峰值。正因為霍爾電流傳感器的上述特點，且兼具精度高、體積小及可靠性高等特點，在電流檢測技術中得到了快速的發(fā)展。本文以霍爾電流傳感器 ACS712 為例，研究了霍爾傳感器在電流檢測中的應用。




1 霍爾電流傳感器
1.1 霍爾效應
霍爾效應是處于磁場中的載流體受磁感應強度的影響，霍爾效應和磁阻效應是并存的?；魻栃窃?1896 年由德國物理學家 Edwin H.Hall 在研究金屬的導電性能時發(fā)現(xiàn)的。

1.2 霍爾電流傳感器
霍爾電流傳感器是基于霍爾效應原理研發(fā)出來的一種電流檢測傳感器。從原理來區(qū)分可以分為兩種方式 ：一種為選頻式，另一種為反饋磁補償式。選頻式霍爾電流傳感器的工作原理就是能夠?qū)⒒魻栐骷l(fā)出的弱電信號直接放大輸出。而反饋磁補償式霍爾電流傳感器則是在選頻式的原理基礎上又增加了零磁通原理。
由上述可看出，選頻式霍爾電流傳感器的電路相對來說比較簡單，并且使用器件較少，功率損耗也低，從降成本方面來說較有優(yōu)勢。反饋磁補償式霍爾傳感器的電路相對來說比較復雜，但是測量精度較高，比開環(huán)要提高近一個數(shù)量級，并且其響應速度較快，響應時間小于 1 微秒，工作的頻帶較寬，從性能方面來講較具備優(yōu)勢。




2 電流檢測系統(tǒng)設計
2.1 霍爾電流傳感器 ACS712
ACS712 是 Allegro 公司為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供的經(jīng)濟實惠且精確的解決方案。ACS712 具有以下特點 ：①低噪音模擬信號路徑 ；②可通過新的濾波引腳設置器件帶寬 ；③總輸出誤差為 1.5%（當 TA = 25° C 時）；④ 66至 185 mV/A 輸出靈敏度 ； ⑤輸出電壓與交流或直流電流成比例 ；⑥ 80 千赫帶寬 ；⑦電源電壓的成比例輸出。其主要被廣泛應用于電氣控制、載荷檢測、開關電源和電流過流保護等方面。

2.2 硬件設計
本文以 ACS712 為例，采用 STM8 微控制器為**，設計了一種簡單的負載用電電流檢測的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由微控制器、晶振電路、復位電路、顯示電路、繼電器電路及電流檢測電路組成。顯示電路可采用數(shù)碼管或點陣液晶等來實時顯示檢測到的電流，顯示電路及晶振電路、復位電路在本文中不做詳細介紹。



圖 1 繼電器電路

圖 1 為繼電器電路，用來控制負載開關狀態(tài)。此系統(tǒng)在用于家用智能插座時，可使用多個繼電器電路來分別控制不同的負載通斷。需注意根據(jù)霍爾電流傳感器的量程來計算總負載。此繼電器電路采用的驅(qū)動方式是三極管驅(qū)動。L 為負載電源火線，通過繼電器控制負載火線的通斷來控制負載的工作狀態(tài)，負載電源零線 N 與供電電源零線直連。微控制器 STM8 輸出高電平時，三極管 Q4 導通，電流流經(jīng)繼電器線圈，使繼電器 3、4 腳內(nèi)部開關
吸合，從而使負載電源火線導通開始工作。D2 為續(xù)流二極管，根據(jù)繼電器轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的干擾紋波情況來決定是否在二極管上并聯(lián)電容。



圖 2 電流檢測電路

ACS712 有三個不同量程的型號，本文選用電流檢測范圍為± 30A 的型號。圖 2 為電流檢測電路，霍爾電流傳感器 ACS712的 VCC 為 5V 供電，在 4.5-5.5V 可承受范圍之內(nèi)。此電路位于整個系統(tǒng)電源的入口端，L-IN 即為電源火線進線端，繼電器導通后，火線上電流由 1、2 引腳流經(jīng)傳感器，再由 3、4 引腳流出（L-OUT）到負載給負載供電。被檢測電流流經(jīng)傳感器內(nèi)部用作電流感測通路的主要銅制電流路徑，流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場，能夠被片內(nèi)的霍爾 IC 感應并將其轉(zhuǎn)化為成比例的電壓。傳感器內(nèi)部穩(wěn)定斬波型低偏置 BiCMOS 霍爾集成電路提供了此處精確的成比例的輸出電壓，此集成電路在傳感器出廠時已經(jīng)進行了精確的編程。ACS712 的±30A 的輸出靈敏度約為 66mA，VOUT 的輸出范圍在 0.5-4.5V 之間，由此可得出量程為4V。傳感器將輸出電壓 VOUT 輸出給微控制器STM8 的 AD 采樣引腳，采用 8 位轉(zhuǎn)換，則量化單位 Δ=4/256V=15.6mV。該量化值小于 ACS712檢測靈敏度，因此用 8 位的 A D 轉(zhuǎn)換在精度上能滿足實際設計需要。

2.3 軟件設計
系統(tǒng)上電初始化后，控制負載的開斷，電流檢測電路檢測流經(jīng)傳感器的電流，輸出 VOUT 值到微控制器的 AD 采樣引腳，微控制器根據(jù)上述計算公式計算電流值，輸出計算結(jié)果到顯示電路顯示結(jié)果，繼續(xù)檢測電流，將檢測到的數(shù)據(jù)進行實時顯示。當微控制器發(fā)出導通信號控制多路負載的繼電器導通時，應設置一個電流限值（此限值不應**過傳感器的量程），一旦檢測到的電流值**過此限值，應根據(jù)負載的**級順序關斷級別低的負載，以使檢測電流值不會**過量程，并將此結(jié)果一并顯示出來。




3 安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
3.1 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(zhuǎn)換，通過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，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
3.2產(chǎn)品選型
3.2.1 開口式開環(huán)霍爾電流傳感器



圖3


3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器



圖4

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器



圖5

3.2.4直流漏電流傳感器



圖6

4 結(jié)束語
本文簡單的介紹了霍爾電流傳感器 ACS712 在電流檢測中的應用?；诨魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用壽命長、使用方便、靈敏度高等優(yōu)點，使得其在電氣測量儀器儀表等方面得到了廣泛的應用。為了能夠適應現(xiàn)代電力電子設備對檢測精度越來越高的要求，對霍爾傳感器技術的研究也應該不斷提高。

【參考文獻】
[1]王香婷 , 蘇曉龍 , 基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng) [J]. 工礦自動化.2008.2 ：74-75.
[2]石靜波.霍爾傳感器在電流檢測中的應用
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2019.11版


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