淺談霍爾電流傳感器的原理及應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：通過介紹開環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直流偏置電壓的直流霍爾電流傳感器電路，并通過試驗進行了驗證。
關鍵詞：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、低功耗以及維修換方便等優點，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域。在很多應用中要求霍爾電流傳感器的零點輸出為基準的2.5V，即檢測電流為零時，傳感器輸出電壓為2.5V，當檢測電流為負方向時，傳感器輸出電壓為一個小于2.5V的電壓值，當檢測電流正方向時，傳感器輸出電壓為一個大于2.5V的電壓值，檢測電流與輸出電壓變化成線性關系。目前，常規的霍爾元件零點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的固定值，而是一個范圍，如4.5～5.5V等，這樣會導致霍爾電流傳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感器的工作原理，并根據其應用設計了一個結構簡單、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有2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線性關系的電壓信號。
1 開環式霍爾電流傳感器
開環式霍爾電流傳感器的工作原理如圖1所示。
圖1開環式霍爾電流傳感器原理框圖
根據安培定律，原邊被測電流I×N將產生與電流成正比的磁場B1，開口磁環氣隙內的磁敏芯片直接測量B的強弱，輸出霍爾電壓V，V經線性放大后輸出電壓信Uo。當被檢測電流為零時，開口磁環內零磁通，磁敏芯片的零點輸出電壓為供電電壓的一半，即V+/2，當有被檢測電流穿過開口磁環時，開口磁環氣隙內的霍爾芯片會檢測到磁環的磁通變化，將在零點電壓的基礎上輸出一個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為通過外圍電阻調節的放大倍數。如圖1所示，當磁力線從磁敏芯片的正面垂直穿過時，芯片將輸出一個正向的變化量電壓，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，按照式（1），傳感器會輸出一個有2.5V偏置電壓且與電流成線性比例的電壓信號，但如果供電電壓不或者誤差范圍較大時，傳感器輸出電壓的直流偏置將不或相應地的誤差較大，如供電電壓為4.6V時，傳感器的零點偏置電壓將是2.3V，誤差太大。
目前，業界有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，只輸出一個與原邊電流成線性關系的零偏置電壓信號，然后再使用運放加法器加上一個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復雜。
2 有偏置電壓電路設計
本文在上述開環式霍爾電流傳感器電路的基礎上增加簡單的電子元器件，通過升壓在一定范圍內變化的低壓供電信號，然后經過基準穩壓電路變換成一個+5.0V的基準電壓，以給磁敏檢測電路供電，從而產生一個2.5V的基準零點偏置電壓。磁敏檢測電路檢測開口磁環內的磁場強度并轉換成與之成線性關系的電壓信號，與基準的2.5V疊加，經過電壓跟隨電路后輸出，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有直流偏置輸出的霍爾傳感器
正常工作時，4.5～5.5V范圍內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的磁場強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的5.0V，而是一個電壓范圍，如4.5～5.5V，而磁敏芯片零磁通時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磁敏芯片的零點輸出穩定，需要為磁敏芯片提供一個的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，無需電感，外圍器件少，具有短路保護及過溫保護等功能。
圖3升壓電路
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的2.5V輸出電壓，需要為磁敏芯片提供的5V電壓，故使用穩壓電路將已經抬高的12V電壓轉換為的5V電壓，為磁敏芯片供電，穩壓電路原理圖如圖4。其中，D1為穩壓電源芯片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的5V，的5V可以由分壓電阻得到的2.5V。
圖4基準穩壓電路
3試驗驗證
基于本文創新性電路設計的0～150A直流霍爾電流傳感器，經檢測后線性輸出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品選型
4.1產品介紹
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。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、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。
圖5霍爾傳感器
4.2產品選型
4.2.1開口式開環霍爾電流傳感器
表1
4.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器
表2
4.2.3閉環霍爾電流傳感器
表3
4.2.4直流漏電流傳感器
表4
5結論
本文通過使用簡單的電路結構將傳感器供電電壓先升壓后，穩壓產生一個基準的穩壓電壓給磁敏芯片供電，使得磁敏檢測電路產生一個的零點電壓。該霍爾電流傳感器具有結構簡單、成本低以及體積小的特點，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有2.5V直流偏置電壓且與檢測電流成線性關系的電壓信號。
【參考文獻】
[1]康弘俊，王威，王勇.有偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器.通信電源技術.2021-01-10
[2]王威，魏曉娟.霍爾傳感器在地鐵電力監控系統中的應用[J].通信電源技術.2018
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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