CN104520720B - 一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，包括一个仪表放大器和2n个霍尔元件，2n个霍尔元件分别用n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的正镜像恒流源组和n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的负镜像恒流源组驱动，从霍尔元件的输入端上引出一个电压对电流传感器零点电压进行比例调节和温度跟踪补偿；每个霍尔元件的差分输出端的两个端分别通过相同阻值的电阻连接到仪表放大器的同相端、反相端，实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值；对霍尔元件根据其失调电压的正、负值大小分档，失调电压为同一档而极性相反的霍尔元件一一配对，且沿着环形磁芯同一朝向安装；RC滤波器的电阻位于输出放大器负反馈之内。

Description

一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路
技术领域
本发明涉及霍尔电流传感器用电子线路领域，尤其涉及一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路。
背景技术
电流传感器是一种应用十分广泛的电子组件,它被广泛应用于各种变流技术、交流数控装置等以电流作为控制对象的自控领域中。
对电流的非接触测量和监控方法很多,霍尔电流传感器因其优异的性价比被广泛应用而形成产业化；霍尔电流传感器通常有开环、闭环两种工作模式,开环型霍尔电流传感器由用软磁材料制成带气隙的环形磁芯、霍尔元件及适当的放大电路组成，在这里霍尔元件直接检测待测电流在磁芯气隙中的磁感应强度，其灵敏度适中，温度稳定性是最重要因素，一般选GaAs材料制作的离子注入型或分子束外延型霍尔元件，而离子注入型霍尔元件因其离子注入、退火等工艺过程中易出现不均匀、层错或位错等缺陷；分子束外延型霍尔元件因其分子束外延的工艺过程是物理过程，产生不均匀、层错或位错等缺陷的几率要小得多，因此我们选择分子束外延型霍尔元件，其相关特性如图一所示。
从图一可知，霍尔元件的失调电压随着工作电流递增而线性递增，说明产生失调电压成因是电阻性的，其等效图如图三所示；从图一可知，霍尔元件的输出电压随着工作温度递增几近线性递减，可以用线性温度补偿方式进行补偿。
国内外开环型霍尔电流传感器电子线路图如图四，这种电路存在以下问题：
1、从差分放大器输入看，霍尔元件的输出电阻RO成为放大器输入阻抗的一部分，放大器的放大倍数由AV＝R6/R4＝R7/R5变成AV＝R6/(R4+RO)＝R7/(R5+RO),且RO随着温度升高而递增,而AV是非线性递减，无法进行完全温度跟踪补偿。
2、利用Tr1、Tr2的PN结电压的温度特性对霍尔元件的灵敏度温漂进行跟踪补偿；而电流传感器的输出幅度调节是通过调节霍尔元件的工作电流完成，因此不可能在输出幅度和霍尔元件的灵敏度温漂进行跟踪补偿之间二者兼顾。
3、从霍尔元件的输入端引出电压对传感器的零点电压进行比例调节，因此不可能在零点电压进行比例调节和霍尔元件的失调电压温漂进行跟踪补偿之间二者兼顾。
4、放大器的输出端T型网络在驱动较大负载时，传感器的输出电压会因T型网络中电阻上的压降而引起衰减。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本而测量更加精确的高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路。
本发明的完整技术方案是，一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，包括一个仪表放大器和2n个霍尔元件，2n个霍尔元件分别用n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的正镜像恒流源组和n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的负镜像恒流源组驱动，从霍尔元件的输入端上引出一个电压对电流传感器零点电压进行比例调节和温度跟踪补偿；
每个霍尔元件的差分输出端的两个端分别通过相同阻值的电阻连接到仪表放大器的同相端、反相端实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值；
霍尔元件根据其失调电压的正、负值分档，同一档而极性相反的一一配对，沿着环形磁芯同一朝向安装；
RC滤波器的电阻位于仪表放大器负反馈之内。
用线性正温度系数恒流源或电压源、二极管、电阻R1、R2、R3组合成可变线性正温度系数的恒流源，其线性正温度系数如果与霍尔元件的输出电压的线性负温度系数几近相同时，与三极管Tr1(1)，Tr1(3)，…，Tr1(2n-1)组成正镜像恒流源组，与三极管Tr2(2),Tr2(4),…,Tr2(2n)组成负镜像恒流源组组合，实现了对2n个霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。
霍尔元件在IC＝5mA的条件下，根据其失调电压的正、负值，同一极性每相差0.5mV为一档进行分档；对于2n个霍尔元件，根据其失调电压值为同一档而极性相反的一一配对，在同一电源电压的镜像恒流源组驱动下沿着环形磁芯同一朝向安装。
由上可见，本发明与现在技术相比有如下有益效果：
1、如图五，用双运算放大器组成仪表放大器的前级和后级差分放大器，仪表放大器的放大倍数及放大倍数的调节主要由前级完成，后级差分放大器的放大倍数为1～5倍，消除了霍尔元件输出电阻的温漂对放大倍数的影响；当从霍尔元件的输入端引出电压对传感器的零点电压进行比例调节，调节比例为R5/R8＜1/100时，几近实现了对霍尔元件的失调电压温漂的全温区温度跟踪补偿；RC滤波器的电阻位于输出放大器负反馈之内，消除了在驱动较大负载时RC滤波器电阻上的电压降对输出幅度的影响。
2、霍尔元件在IC＝5mA的条件下，根据其失调电压的正、负值，同一极性每相差0.5mV为一档进行分档；对于2n个霍尔元件，根据其失调电压值为同一档而极性相反的一一配对，在同一电源电压的镜像恒流源组下沿着环形磁芯同一朝向安装，使霍尔元件的失调电压因极性相反的一一配对而几近消除。
3、如图一，分子束外延型霍尔元件的输出电压的温度特性几近线性负温度系数，因而如图六，用线性正温度系数恒流源或电压源、二极管、电阻R1、R2、R3组合成可变线性正温度系数的恒流源，其线性正温度系数如果与霍尔元件的输出电压的线性负温度系数几近相同时，与三极管Tr1(1)，Tr1(3)，…，Tr1(2n-1)组成正镜像恒流源组，与三极管Tr2(2),Tr2(4),…,Tr2(2n)组成负镜像恒流源组组合，实现了对2n个霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。
4、霍尔元件的差分输出端分别通过相同的电阻RL，RL＞100RO(霍尔元件的输出内阻)，连接到仪表放大器的同相端、反相端，实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值，此时2n个霍尔元件的失调电压及温度漂移、噪声电压等均按倍下降，使传感器的温度特性更稳定、测量下限更低。同时因RL＞100R，消除了不同霍尔元件因其内阻不同特别是2n个霍尔元件在正、负向镜像恒流源组供电条件下而产生的短路效应。
5、采用发明人申请的另一专利--穿芯式高精度霍尔开环型霍尔电流传感器用同轴双环路磁芯结构组件与图六所示的电路配合，穿芯式高精度霍尔开环型霍尔电流传感器的电流测量精度达到0.2％FS以内，零点温漂达到50ppm/℃～200ppm/℃，工作温区达到-40～85℃。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1、分子束外延型霍尔元件的输出电压特性及失调电压特性；
图2、霍尔元件；
图3、霍尔元件的等效图；
图4、国外开环型霍尔电流传感器电子线路图；
图5、穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电路框图；
图6、穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电路图；
图7、用电压源、二极管、电阻组成线性可变温度系数恒流源。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例：
本实施例一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，如图五，用双运算放大器BA4580组成仪表放大器的前级和后级差分放大器；仪表放大器的放大倍数及放大倍数的调节主要由前级完成，后级差分放大器的放大倍数为1～5倍；从霍尔元件的输入端引出电压对传感器的零点电压进行比例调节，调节比例为R5/R8＜1/100；如图六，霍尔元件HG302A在IC＝5mA的条件下，根据其失调电压的正、负值，同一极性每相差0.5mV为一档进行分档；对于2n个霍尔元件，根据其失调电压值为同一档而极性相反的一一配对，在同一电源电压的镜像恒流源组驱动下沿着环形磁芯同一朝向安装；如图六，用线性正温度系数恒流源LM234、二极管、电阻R1及R2和R3组合成可变温度系数的恒流源，与三极管Tr1(1)，Tr1(3)，…，Tr1(2n-1)组成正镜像恒流源组，与三极管Tr2(2),Tr2(4),…,Tr2(2n)组成负镜像恒流源组组合，对2n个霍尔元件的灵敏度温漂进行线性温度补偿；如图六，霍尔元件的差分输出端分别通过相同的电阻RL，RL＞100RO(霍尔元件的输出内阻)，连接到仪表放大器的同相端、反相端，实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值。
由上可见，1、如图五，用双运算放大器BA4580组成仪表放大器的前级和后级差分放大器，仪表放大器的放大倍数及放大倍数的调节主要由前级完成，后级差分放大器的放大倍数为1～5倍，消除了霍尔元件输出电阻的温漂对放大倍数的影响；当从霍尔元件的输入端引出电压对传感器的零点电压进行比例调节，调节比例为R5/R8＜1/100时，几近实现了对霍尔元件的失调电压温漂的全温区温度跟踪补偿；RC滤波器的电阻位于输出放大器负反馈之内，消除了在驱动较大负载时RC滤波器电阻上的电压降对输出幅度的影响。
2、霍尔元件HG302A在IC＝5mA的条件下，根据其失调电压的正、负值，同一极性每相差0.5mV为一档进行分档；对于2n个霍尔元件，根据其失调电压值为同一档而极性相反的一一配对，在同一电源电压的镜像恒流源组下沿着环形磁芯同一朝向安装，使霍尔元件的失调电压因极性相反的一一配对而几近消除。
3、如图一，分子束外延型霍尔元件的输出电压的温度特性几近线性负温度系数，因而如图六，用线性正温度系数恒流源LM234、二极管、电阻R1及R2和R3组合成可变线性正温度系数的恒流源，其线性正温度系数如果与霍尔元件的输出电压的线性负温度系数几近相同，与三极管Tr1、Tr3…Tr2n-1组成正镜像恒流源组，与三极管Tr2、Tr4…Tr2n组成负镜像恒流源组组合，实现了对2n个霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。
图7为用并联型电压基准AZ432、三极管、二极管、电阻等组成线性可变温度系数恒流源。
4、霍尔元件的差分输出端分别通过相同的电阻RL，RL＞100RO(霍尔元件的输出内阻)，连接到仪表放大器的同相端、反相端，实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值，此时2n个霍尔元件的失调电压及温度漂移、噪声电压等均按倍下降，使传感器的温度特性更稳定、测量下限更低。同时因RL＞100RO，消除了不同霍尔元件因其内阻不同特别是2n个霍尔元件在正、负镜像恒流源组供电条件下而产生的短路效应。
5、采用发明人申请的另一专利--穿芯式高精度霍尔开环型霍尔电流传感器用同轴双环路磁芯结构组件与图六所示的电路配合，穿芯式高精度霍尔开环型霍尔电流传感器的电流测量精度达到0.2％FS以内，零点温漂达到50ppm/℃～200ppm/℃，工作温区达到-40～85℃。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，其特征在于，包括一个仪表放大器和2n个霍尔元件，2n个霍尔元件分别用n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的正镜像恒流源组和n个带灵敏度温漂线性温度补偿电路的负镜像恒流源组驱动，从霍尔元件的输入端上引出一个电压对电流传感器零点电压进行比例调节和温度跟踪补偿；
每个霍尔元件的差分输出端的两个端分别通过相同阻值的电阻RL连接到仪表放大器的同相端、反相端，电阻RL＞100Ro，Ro是霍尔元件的输出内阻，实现2n个霍尔元件的差分输出求算术平均值；
所述霍尔元件根据其失调电压的正、负值分档，同一档而极性相反的一一配对，沿着环形磁芯同一朝向安装；
RC滤波器的电阻位于仪表放大器负反馈之内。
2.根据权利要求1所述的一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，其特征在于，用线性正温度系数恒流源或电压源、二极管、电阻R1、R2、R3组合成可变线性正温度系数的恒流源，其线性正温度系数与霍尔元件的输出电压的线性负温度系数几近相同时，与三极管Tr1(1)，Tr1(3)，…，Tr1(2n-1)组成正镜像恒流源组，与三极管Tr2(2),Tr2(4),…,Tr2(2n)组成负镜像恒流源组组合，实现了对2n个霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。
3.根据权利要求1所述的一种穿芯式高精度开环型霍尔电流传感器用电子线路，其特征在于，霍尔元件在IC＝5mA的条件下，根据其失调电压的正、负值，同一极性每相差0.5mV为一档进行分档；对于2n个霍尔元件，根据其失调电压值为同一档而极性相反的一一配对，在同一电源电压的镜像恒流源组驱动下沿着环形磁芯同一朝向安装。
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