CN109520527A - 一种具有温度补偿功能的霍尔传感器 - Google Patents

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蒲冠雨
杜刚
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Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，包括霍尔元件和与霍尔元件连接的外围电路，霍尔元件输入电阻的等效电桥的两个桥臂上分别并联第一外部补偿调零电路和第二外部补偿调零电路后形成两个新桥臂，两个所述新桥臂的等效电阻相等。第一外部补偿调零电路由常规电阻和线性热敏PTC电阻串联构成，第二外部补偿调零电路由可调电阻构成。外部补偿调零电路中采用的常规电阻+PTC电阻降低霍尔传感器的温度系数，PTC线性热敏电阻的阻值随温度升高而增大，呈直线变化，线性好，温度感应速度快，灵敏度高，体积小，适宜印刷线路板的自动化安装。

Description

一种具有温度补偿功能的霍尔传感器
技术领域
本发明涉及电源技术和传感器技术领域，具体的说，是一种具有温度补偿功能的霍尔传感器。
背景技术
霍尔电压传感器与霍尔电流传感器因其功耗小、精度高、输入输出高度隔离等优点已被广泛应用在航天、航天、航海、通信、铁路等军品民品领域，因而对霍尔传感器的温度性能要求也越来越高，如在很多军品领域，要求传感器的工作温度范围为-55℃～+85℃。这就对霍尔传感器的温度特性要求很高，其温度漂移参数需要满足要求。目前常用的霍尔电流传感器原理图如附图1所示，IC1即为传感器的核心器件----霍尔元件，是霍尔传感器电路中受温度影响最大的器件。目前市面上的很多霍尔传感器采用的是锑化铟(InSb)霍尔元件，如日本旭化成的HW-101A、HW-302B等以及砷化镓(GaAs)霍尔元件，如松下电子的OH017、OH018等和东芝的THS121等。相比其他材料的霍尔元件，锑化铟材料的霍尔元件在恒电压驱动情况下输出电压温度变化系数较小；砷化镓材料的霍尔元件则宜选用恒电流驱动。尽管如此，锑化铟霍尔元件还是会有一个最大为-1.8％/℃的温度系数(18000ppm/℃)，温度性能较好的砷化镓霍尔元件最大温度系数为-0.06％/℃(600ppm/℃)。但在某些应用场合，对温度系数的要求非常小，低至100ppm/℃。在不增加补偿措施的情况下锑化铟和砷化镓霍尔元件很难达到此要求，通过元器件筛选满足温度性能要求提高了成本与难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，用于解决现有技术中传统霍尔传感器温度系数大的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，包括霍尔元件和与霍尔元件连接的外围电路，所述霍尔元件输入电阻的等效电桥的两个桥臂上分别并联第一外部补偿调零电路和第二外部补偿调零电路后形成两个新桥臂，两个所述新桥臂的等效电阻相等。
进一步地，所述第一外部补偿调零电路由常规电阻和线性热敏PTC电阻串联构成，所述第二外部补偿调零电路由可调电阻构成。
进一步地，所述线性热敏PTC电阻采用KTY系列热敏电阻，所述常规电阻的阻值为64kΩ。
进一步地，所述第二外部补偿调零电路由常规电阻和NTC电阻串联构成，所述第一外部补偿调零电路由可调电阻构成。
进一步地，所述第二外部补偿调零电路由阻值为50kΩ的常规电阻和在+25℃时阻值为50kΩ的NTC线性热敏电阻串联。
进一步地，所述常规电阻由多个固定电阻串联或者并联构成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明使用常规电阻、电容、开关管以及线性热敏电阻等元件，通过对霍尔元件输出电压的补偿，降低霍尔传感器的温度系数即实现霍尔传感器的输出随温度变化量较小。
(2)外部补偿调零电路中采用的常规电阻+PTC电阻，PTC线性热敏电阻的阻值随温度升高而增大，呈直线变化，线性好，并且阻值一致性好，互换性强，外形、规格标准化，温度感应速度快，灵敏度高，体积小，适宜印刷线路板的自动化安装。同一档温度系数的热敏电阻可以串、并使用，其阻温特性不变，也可以将热敏电阻与常规电阻串联使用，降低其温度系数。
附图说明
图1为现有技术中的霍尔电流传感器原理图；
图2为现有技术中的霍尔元件等效电路示意图；
图3为现有技术中的霍尔元件“电阻-温度曲线图；
图4为+25℃时霍尔元件内阻与外部补偿调零电路示意图；
图5为-55℃时霍尔元件内阻与外部补偿调零电路示意图；
图6为+85℃时霍尔元件内阻与外部补偿调零电路示意图；
图7为+25℃时霍尔元件内阻与外部补偿调零电路的等效电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
目前常用的霍尔电流传感器原理图如图1所示，IC1即为传感器的核心器件—霍尔元件，是霍尔传感器电路中受温度影响最大的器件。霍尔元件可等效于如图2所示的四臂电桥电路：输出电压等效于从霍尔元件中间等电位处取出的电压，当霍尔元件内部的两个霍尔电极处于同一等位面上时，R1＝R2＝R3＝R4，则电桥平衡，当无外磁场时，霍尔元件输出零点电压理论值为0V。当霍尔元件因制造工艺等原因，导致其输出电极不在等电位处，造成电阻R2与电阻R1不相等，电阻R4与电阻R3不相等，偏差量甚至只有0.1欧姆时，四臂电桥不再平衡。
出现偏差后可通过在外部并联电阻进行补偿调零，电阻R2与电阻R4分别并联一个电阻R*1与R*2，使得并联后的等效电阻相等，此时霍尔元件的输出电压仍为0V。但是，由图3：霍尔元件的温度-电阻曲线图可知，霍尔元件在-55℃～+25℃温度范围变化时，芯片输入阻抗变化剧烈，阻值由约0.3k变化至超过1.8k，导致原调零电路失效。而+25℃～+85℃变化时，芯片输入阻抗由0.3k变化至0.15k，变化量较小，调零电路虽失效，但零点偏移量较小。
综上，当温度变化引起霍尔元件内部输入阻抗变化时，霍尔元件的输入电阻电桥失衡，进而其输出电压也随之变化，霍尔元件微小的输出电压变化经过运算放大后进而引起传感器输出参数的超差，此即传感器的输出参数温漂超差的原理。
按照上述计算及原理图图1所示参数，霍尔元件的输出电压偏差在不同温度下的变化如表1：
温度 -55℃ 25℃ 85℃
V<sub>HW</sub> -6.1mV 0V 0.14mV
表1VHW-T变化值
基于上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种温度补偿方式，即采用线性热敏电阻补偿方式，用以补偿霍尔元件输入电阻随环境温度变化而变化进而引起的传感器输出参数变化。
实施例1：
一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，包括霍尔元件和与霍尔元件连接的外围电路，所述霍尔元件输入电阻的等效电桥的两个桥臂上分别并联第一外部补偿调零电路和第二外部补偿调零电路后形成两个新桥臂，两个所述新桥臂的等效电阻相等。
进一步地，所述第一外部补偿调零电路由常规电阻和线性热敏PTC电阻串联构成，所述第二外部补偿调零电路由可调电阻构成。
结合附4所示，霍尔元件采用型号HW-101A时，在调零时，将第一外部补偿调零电路分成两个电阻：一个64kΩ常规电阻R*11(可以是数个电阻的阻值之和)和一个线性热敏PTC电阻R*12，本发明中该线性热敏PTC电阻以NXP(恩智浦)的KTY系列热敏电阻KTY81/363为例，该电阻的阻值-温度关系如表2所示。
表2KTY81/363电阻的阻值-温度关系表
在+25℃时进行调零，此时第一补偿调零电路由常规电阻R*11和线性热敏PTC电阻R*12串联组成，其中常规电阻R*11阻值为64kΩ，线性热敏PTC电阻R*12采用KTY系列热敏电阻，在+25℃时，阻值为36kΩ。第二外部补偿调零电路由电阻R*2构成，电阻R*2的阻值为81.82kΩ，这个时候，两个桥臂的等效电阻均为299Ω，如图7所示。
结合图5所示，在-55℃霍尔元件内部阻值有约0.3kΩ变化至超过1.8kΩ，而线性热敏PTC电阻R*12的阻值减小为18kΩ，两个桥臂的等效电阻均为1761kΩ。
结合图6所示，在+85℃变化时，霍尔元件输入阻抗有0.3kΩ变化值0.15kΩ，而线性热敏PTC电阻R*12的阻值增大为54.72kΩ，两个桥臂的等效电阻均为149欧姆。
按照上述计算及原理图图1所示参数，采用PTC电阻调零后，霍尔元件的输出电压偏差在不同温度下的变化如表3：
温度 -55℃ 25℃ 85℃
V<sub>HW</sub> -0.1mV 0V 0.12mV
表3VHW-T变化值
对比表1与表3，可以得知：本发明提出的采用线性热敏电阻补偿方式，可以补偿磁敏元件输入电阻随环境温度变化而变化进而引起的传感器输出参数变化。
同样，亦可以采用负温度系数(NTC)线性热敏电阻补偿方式进行补偿。仍以前文描述的HW-101A霍尔元件为例，调零时固定R*2(如100k)，调节R*1。常温下调零后将R*2分成两个电阻：一个50K常规电阻和一个+25℃时阻值为50K的NTC线性热敏电阻串联，本发明以贴片NTC线性热敏电阻LNTC0805-503-7500为例，该电阻在-55℃时的阻值约为78kΩ，+25℃时阻值为50kΩ，+85℃时阻值为29kΩ，按照上述计算及附图1所示参数，采用NTC电阻调零后，霍尔元件的输出电压偏差在不同温度下的变化如表4：
温度 -55℃ 25℃ 85℃
V<sub>HW</sub> -0.08mV 0V -0.1mV
表4VHW-T变化值
综合以上分析及计算可以得知：本发明提出的采用线性热敏电阻补偿方式，可以补偿磁敏元件输入电阻随环境温度变化而变化进而引起的传感器输出参数变化。
实验验证
基于图1原理图设计的0～10Adc直流霍尔电流传感器，应同比例的输出0～10mAdc直流电流，要求-55℃～85℃工作温度范围内，零点输出电流小于0.2mA，温度漂移小于250ppm/℃，即-55℃时其输出电流变化量最大为250ppm/℃*80℃*10mA＝0.2mA。不采用线性热敏电阻调零补偿时，其常温输出符合要求，但是低温超差，常温及高低温测试数据如表5所示。
表5无补偿时传感器输出电流值
采用本发明描述的正温度系数线性热敏电阻补偿调零后，其常温及高低温测试数据如表6所示。
表6有PTC电阻补偿时传感器输出电流值
测试数据表明，采用本发明描述的正温度系数线性热敏电阻补偿调零后，传感器在高低温工作环境下输出均符合技术指标要求。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (6)

1.一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，包括霍尔元件和与霍尔元件连接的外围电路，其特征在于，所述霍尔元件输入电阻的等效电桥的两个桥臂上分别并联第一外部补偿调零电路和第二外部补偿调零电路后形成两个新桥臂，两个所述新桥臂的等效电阻相等。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，其特征在于，所述第一外部补偿调零电路由常规电阻和线性热敏PTC电阻串联构成，所述第二外部补偿调零电路由可调电阻构成。
3.根据权利要求2所述的一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，其特征在于，所述线性热敏PTC电阻采用KTY系列热敏电阻，所述常规电阻的阻值为64kΩ。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，其特征在于，所述第二外部补偿调零电路由常规电阻和NTC电阻串联构成，所述第一外部补偿调零电路由可调电阻构成。
5.根据权利要求4所述的一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，其特征在于，所述第二外部补偿调零电路由阻值为50KΩ的常规电阻和在+25℃时阻值为50kΩ的NTC线性热敏电阻串联。
6.根据权利要求3或5所述的一种具有温度补偿功能的霍尔传感器，其特征在于，所述常规电阻由多个固定电阻串联或者并联构成。
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