CN205786833U - 一种开环型霍尔电流传感器的电子线路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及霍尔电流传感器电子线路领域，尤其涉及一种开环型霍尔电流传感器的电子线路，包括由双运算放大器之一组成的同相放大器、另一个运算放大器将霍尔元件的差分输出转换为单端输出、一个或2n个并联的霍尔元件和线性正温度系数恒流源。电路使得霍尔元件的输出电阻成为同相放大器的输入平衡电阻，有效的消除了霍尔元件输出电阻的温漂对运算放大器放大倍数的影响；通过使用线性正温度系数恒流源实现了对一个或2n个霍尔元件的灵敏度负温漂进行全温区线性温度跟踪补偿；将2n个霍尔元件并联，大大的提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

Description

一种开环型霍尔电流传感器的电子线路

技术领域

本实用新型涉及霍尔电流传感器电子线路领域，尤其涉及一种开环型霍尔电流传感器的电子线路。

背景技术

霍尔电流传感器是一种新型的电流传感器，具有灵敏度高、功耗低、电隔离、性价比高、使用方便等特点，被广泛用于各种变流技术、交流数控装置等以电流作测量和监控对象的自控领域中。

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GaAs霍尔元件，其相关特性如图1所示。

从图1可知，图2中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纯电阻性的，霍尔元件的等效图如图3所示；从图1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如图4，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R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+R)＝R7/(R5+R)，且R随着温度升高而递增，而AV是非线性递减，无法进行全温区线性跟踪补偿；

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同时兼顾。

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同时兼顾。

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。

实用新型内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种测量更加精准的用于开环型霍尔电流传感器的电子电路。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种用于开环型霍尔电流传感器的电子电路，包括由双运算放大器之一组成的同相放大器、双运算放大器的另一个运算放大器将霍尔元件的差分输出转换为单端输出、一个或2n个并联的霍尔元件和线性正温度系数恒流源，霍尔元件的一个输入端与线性正温度系数恒流源相连接；霍尔元件的单端输出与双运算放大器中之一组成的同相放大器的输入端相连接，霍尔元件的输出电阻成为同相放大器的输入平衡电阻；从霍尔元件的输入端上引出一个电压对整个电路的零点电压进行比例调节；RC滤波器的电阻位于同相放大器负反馈之内；线性正温度系数恒流源，包括一个PNP、NPN互补对管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和可调电压基准,NPN三极管的发射极和可调电压基准的参考端相连后与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接可调电压基准的阴极端；可调电压基准的阳极端与NPN三极管的基极连接后与PNP三级管的集电极相连；NPN三极管的集电极与PNP三极管的基极连接后与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接到正电源；PNP三极管的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电阻R3的一端串联，电阻R3的另一端与正电源相连。

作为本实用新型的优化方案，2n个并联的霍尔元件沿着环形磁芯同一朝向排列。

本实用新型具有积极的效果：1)本实用新型霍尔元件的内阻成为双运算放大器中的另一个运算放大器的输入平衡电阻，有效的消除了霍尔元件输出电阻的温漂对双运算放大器放大倍数的影响；

2)本实用新型通过使用线性正温度系数恒流源实现了对一个或2n个霍尔元件的灵敏度负温漂进行全温区线性温度跟踪补偿；

3)本实用新型将2n个霍尔元件并联，大大的提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为分子束外延型GaAs霍尔元件的输出电压特性及失调电压特性图；

图2为GaAs霍尔元件的电路原理图；

图3为GaAs霍尔元件的等效电路图；

图4为国内外开环型霍尔电流传感器电子线路图；

图5为带微调电位器的开环型霍尔电流传感器的电路图；

图6为带激光微调电阻的开环型霍尔电流传感器的电路图；

图7为2n个霍尔元件并联的开环型霍尔电流传感器的电路图；

图8为线性正温度系数恒流源的电路图；

图9为线性正温度系数恒流源的实测温度曲线图；

图10为100A的开环型霍尔电流传感器的实测温度曲线图。

具体实施方式

如图5-7所示，本实用新型公开了一种用于开环型霍尔电流传感器的电子电路，包括由双运算放大器之一组成的同相放大器、双运算放大器的另一个运算放大器将霍尔元件的差分输出转换为单端输出、一个或2n个并联的霍尔元件和线性正温度系数恒流源，霍尔元件的一个输入端与线性正温度系数恒流源相连接；霍尔元件的单端输出与双运算放大器中之一组成的同相放大器的输入端相连接，霍尔元件的输出电阻成为同相放大器的输入平衡电阻；从霍尔元件的输入端上引出一个电压对整个电路的零点电压进行比例调节；RC滤波器的电阻位于同相放大器负反馈之内。其中，利用双运算放大器的两个输入电压相同的特性将霍尔元件的差分输出转换为霍尔元件的单端输出，霍尔元件的单端输出直接接入双运算放大器中的另一个运算放大器的输入端，霍尔元件的内阻成为双运算放大器中的另一个运算放大器的输入平衡电阻，有效的消除了霍尔元件输出电阻的温漂对双运算放大器放大倍数的影响。从霍尔元件的输入端引出电压对开环型霍尔电流传感器的零点电压进行比例调节，调节比例为R8/R7<3/100时，实现了霍尔元件的失调电压温漂的全温区温度跟踪补偿，将双运算放大器中的另一个运算放大器即同相放大器的放大倍数调节由反相输入电阻R10和RW2完成，负反馈电阻R11,C4、C5和C6避免了放大倍数的调节时对同相放大器的响应时间的影响，整个霍尔电流传感器驱动大容性负载时不会产生高频振荡现象。RC滤波器的电阻R12位于双运算放大器的负反馈之内，消除了驱动大负载时RC滤波器电阻上的电压降对输出幅度的影响。

如图8所示，线性正温度系数恒流源，包括一个PNP、NPN互补对管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和可调电压基准组成,NPN三极管的发射极和可调电压基准的参考端相连后与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接可调电压基准的阴极端；可调电压基准的阳极端与NPN三极管的基极连接后与PNP三级管的集电极相连；NPN三极管的集电极与PNP三极管的基极连接后与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接到正电源；PNP三极管的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电阻R3的一端串联，电阻R3的另一端与正电源相连。通过调节线性正温度系数恒流源的线性正温度系数与霍尔元件输出电压的线性温度系数相同，实现了对一个或者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。线性正温度系数恒流源的实测温度曲线如图9所示，100A的开环型电流传感器实测温度曲线如图10所示，可见，线性正温度系数恒流源的线性正温度系数与霍尔元件输出电压的线性负温度系数几近相同，实现了对霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。

2n个并联的霍尔元件沿着环形磁芯同一朝向排列。对霍尔元件在IC＝5mA的条件下，根据失调电压的正、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，在同一线性正温度系数恒流源驱动下沿着环形磁芯的同一朝向排列安装，使霍尔元件的失调电压因极性相反的一一配对消除，此时，霍尔电流传感器的零点电压大小范围很小，调节时更省时，生产效率也更高。其中，零点、幅度的微调电位器改为激光微调电阻时，即，R5、R6和R10由微调电位器改为激光微调电阻，使得整个霍尔电流传感器生产时实现了全自动流水生产。

2n个霍尔元件进行并联，实现了2n个霍尔元件的输出求算术平均值，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。使得开环型霍尔电流传感器的电流测量精度达到0.5％FS以内，零点、幅度的温漂达到20ppm/℃～50ppm/℃，工作温区达到-40～105℃，大大地提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种开环型霍尔电流传感器的电子线路，其特征在于：包括由双运算放大器之一组成的同相放大器、双运算放大器的另一个运算放大器将霍尔元件的差分输出转换为单端输出、一个或2n个并联的霍尔元件和线性正温度系数恒流源，霍尔元件的一个输入端与线性正温度系数恒流源相连接；霍尔元件的单端输出与双运算放大器中之一组成的同相放大器的输入端相连接，霍尔元件的输出电阻成为同相放大器的输入平衡电阻；从霍尔元件的输入端上引出一个电压对整个电路的零点电压进行比例调节；RC滤波器的电阻位于同相放大器负反馈之内；所述线性正温度系数恒流源包括一个PNP、NPN互补对管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和可调电压基准,NPN三极管的发射极和可调电压基准的参考端相连后与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接可调电压基准的阴极端；可调电压基准的阳极端与NPN三极管的基极连接后与PNP三级管的集电极相连；NPN三极管的集电极与PNP三极管的基极连接后与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接到正电源；PNP三极管的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电阻R3的一端串联，电阻R3的另一端与正电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种开环型霍尔电流传感器的电子线路，其特征在于：2n个并联的霍尔元件沿着环形磁芯同一朝向安装。