淺談霍爾電流傳感器的原理及應用

簡婷

开云体育手机下载教程  上海嘉定  201801

摘要：通過介紹開環式霍爾電流傳(chuan) 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(chuan) 感器電路，並通過試驗進行了驗證。

關(guan) 鍵詞：霍爾傳(chuan) 感器；電流傳(chuan) 感器；直流霍爾

0 引言

       近年來，霍爾電流傳(chuan) 感器產(chan) 品因具有良好的精度及線性度、檢測電壓與(yu) 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(you) 點，廣泛應用於(yu) 航空、航天、通信、儀(yi) 表、冶金以及鐵路等品和民品領域。在很多應用中要求霍爾電流傳(chuan) 感器的零點輸出為(wei) 基準的2.5V，即檢測電流為(wei) 零時，傳(chuan) 感器輸出電壓為(wei) 2.5V，當檢測電流為(wei) 負方向時，傳(chuan) 感器輸出電壓為(wei) 一個(ge) 小於(yu) 2.5V的電壓值，當檢測電流正方向時，傳(chuan) 感器輸出電壓為(wei) 一個(ge) 大於(yu) 2.5V的電壓值，檢測電流與(yu) 輸出電壓變化成線性關(guan) 係。目前，常規的霍爾元件零點輸出電壓為(wei) 供電電壓的一半，而很多霍爾電流傳(chuan) 感器的供電電壓不是精確的固定值，而是一個(ge) 範圍，如4.5～5.5V等，這樣會(hui) 導致霍爾電流傳(chuan) 感器的零點電壓輸出不穩定，甚至超過規定值。

      本文簡單介紹了開環霍爾電流傳(chuan) 感器的工作原理，並根據其應用設計了一個(ge) 結構簡單、成本低以及體(ti) 積小的電路，用於(yu) 檢測高達數百安培的直流電流信號並隔離輸出一個(ge) 有精準2.5V直流偏置電壓且與(yu) 檢測電流成線性關(guan) 係的電壓信號。

1 開環式霍爾電流傳(chuan) 感器

      開環式霍爾電流傳(chuan) 感器的工作原理如圖1所示。

圖1開環式霍爾電流傳(chuan) 感器原理框圖

      根據安培定律，原邊被測電流I×N將產(chan) 生與(yu) 電流成正比的磁場B1，開口磁環氣隙內(nei) 的磁敏芯片直接測量B的強弱，輸出霍爾電壓V，V經線性放大後輸出電壓信Uo。當被檢測電流為(wei) 零時，開口磁環內(nei) 零磁通，磁敏芯片的零點輸出電壓為(wei) 供電電壓的一半，即V+/2，當有被檢測電流穿過開口磁環時，開口磁環氣隙內(nei) 的霍爾芯片會(hui) 檢測到磁環的磁通變化，將在零點電壓的基礎上輸出一個(ge) 與(yu) 磁通變化量成正比的電壓值，即：

OUT=V+/2+KΔV（1）

      式中，OUT為(wei) 磁敏芯片的輸出電壓，V+/2為(wei) 零點輸出電壓，ΔV為(wei) 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(wei) 通過外圍電阻調節的放大倍數。如圖1所示，當磁力線從(cong) 磁敏芯片的正麵垂直穿過時，芯片將輸出一個(ge) 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(chuan) 感器供電電壓為(wei) 5V時，按照式（1），傳(chuan) 感器會(hui) 輸出一個(ge) 有2.5V偏置電壓且與(yu) 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範圍較大時，傳(chuan) 感器輸出電壓的直流偏置將不精確或相應地的誤差較大，如供電電壓為(wei) 4.6V時，傳(chuan) 感器的零點偏置電壓將是2.3V，誤差太大。

      目前，業(ye) 界有精準直流偏置電壓輸出的霍爾電流傳(chuan) 感器應用較少。常規做法是先隔離傳(chuan) 感器的直流偏置電壓，隻輸出一個(ge) 與(yu) 原邊電流成線性關(guan) 係的零偏置電壓信號，然後再使用運放加法器加上一個(ge) 由基準穩壓源得到的2.5V基準電壓信號，該實現方式電路相對複雜。

2 有偏置電壓電路設計

      本文在上述開環式霍爾電流傳(chuan) 感器電路的基礎上增加簡單的電子元器件，通過升壓在一定範圍內(nei) 變化的低壓供電信號，然後經過基準穩壓電路變換成一個(ge) +5.0V的基準電壓，以給磁敏檢測電路供電，從(cong) 而產(chan) 生一個(ge) 2.5V的基準零點偏置電壓。磁敏檢測電路檢測開口磁環內(nei) 的磁場強度並轉換成與(yu) 之成線性關(guan) 係的電壓信號，與(yu) 基準的2.5V疊加，經過電壓跟隨電路後輸出，即實現上述有2.5V直流偏置電壓輸出的直流線性霍爾電流傳(chuan) 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，原理框圖如圖2所示。

圖2有精準直流偏置輸出的霍爾傳(chuan) 感器

      正常工作時，4.5～5.5V範圍內(nei) 的直流供電電壓經升壓電路升至一定值Vbst，如12V或其他可設定值，Vbst經基準穩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內(nei) 的磁場強度並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(wei) 磁敏檢測電路的零點輸出電壓，該電壓為(wei) 磁敏檢測電路供電電壓的一半，K為(wei) 磁敏檢測電路放大倍數，可由外部電阻等調節，ΔV為(wei) 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(nei) 部的霍爾器件決(jue) 定。Vo1經過電壓跟隨電路後直接輸出Vout，電壓跟隨器的作用是提高傳(chuan) 感器電路的帶載能力，避免外接負載對傳(chuan) 感器的輸出電壓造成影響。

4 安科瑞霍爾傳(chuan) 感器產(chan) 品選型

4.1產(chan) 品介紹

      霍爾電流傳(chuan) 感器主要適用於(yu) 交流、直流、脈衝(chong) 等複雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換後的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀(yi) 表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量範圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗幹擾能力強。適用於(yu) 電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理係統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控製等係統電流信號采集和反饋控製。

圖5霍爾傳(chuan) 感器

4.2產(chan) 品選型

4.2.1開口式開環霍爾電流傳(chuan) 感器

表1

4.2.2閉口式開環霍爾電流傳(chuan) 感器

表2

4.2.3閉環霍爾電流傳(chuan) 感器

表3

4.2.4直流漏電流傳(chuan) 感器

表4

5 結論

      本文通過使用簡單的電路結構將傳(chuan) 感器供電電壓先升壓後，穩壓產(chan) 生一個(ge) 基準的穩壓電壓給磁敏芯片供電，使得磁敏檢測電路產(chan) 生一個(ge) 精準的零點電壓。該霍爾電流傳(chuan) 感器具有結構簡單、成本低以及體(ti) 積小的特點，可用於(yu) 檢測高達數百安培的直流電流信號並隔離輸出一個(ge) 有精準2.5V直流偏置電壓且與(yu) 檢測電流成線性關(guan) 係的電壓信號。

【參考文獻】

[1]康弘俊，王威，*.有精準偏置電壓輸出的霍爾電流傳(chuan) 感器.通信電源技術.2021-01-10

[2]王威，魏曉娟.霍爾傳(chuan) 感器在地鐵電力監控係統中的應用[J].通信電源技術.2018

[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.6版.

作者簡介：簡婷，女，本科，开云体育手机下载教程，主要研究方向為(wei) 霍爾電流傳(chuan) 感器產(chan) 品的研發與(yu) 應用。