CN210376489U - 一种全pcb安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，属于霍尔电流传感器电子线路技术领域，包括霍尔元件、轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管和带磁芯的次级线圈形成的大闭环负反馈，次级线圈中产生与初级电流一一对应的次级补偿电流，推挽输出三极管工作在共射极状态且其输出最大电压能接近电源电压，运算放大器输入端设置有电平转移电路，霍尔元件采用恒压工作，用高精度的取样电阻和带防短路放大器转换为电压输出的测量范围大、功耗小、精度高的闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路。

Description

一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路

技术领域

本实用新型涉及一种闭环型电流传感器用低成本电子线路，特别是涉及一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，属于霍尔电流传感器电子线路技术领域。

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,闭环型霍尔电流传感器由用软磁材料制成的环形磁芯、霍尔元件、次级线圈及适当的功率放大电路组成，在这里霍尔元件起指零器的作用，因此其灵敏度越高越好，一般选InSb材料制作的高灵敏度霍尔元件，其相关特性如图5、图6所示。国外闭环型霍尔电流传感器电子线路图如图4，这种电子线路存在以下问题：

1，如图5，InSb霍尔元件的不平衡电压在恒压工作条件下其温度特性曲线非常平坦，而在恒流工作条件下其温度特性曲线在负温区非常陡峭，如图4，当传感器供电电压一定时，这种电子线路中霍尔元件都在恒流条件下工作，当工作温度低于0℃时，传感器的零点温漂将会很大，严重影响传感器的电流测量精度，从而限制了传感器的工作温度范围，一般为-10-80℃。

2.这种电子线路中运算放大器的输出端驱动无偏置的射极跟随器，因此用这种电子线路的电流传感器在测量交变电流时，其输出波形中存在非常严重的交越失真。

3、所采用的霍尔元件为带插脚的SIP4封装，4只引脚的中心间距为1.0mm，自动焊接(波峰焊)工艺要求非常高，一次通过率仅为20％-40％之间，必须人工补焊，无法实现全自动流水生产。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是为了提供一种测量范围大、功耗小、精度高的全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路。

本实用新型的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，包括霍尔元件、轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管和带磁芯的次级线圈形成的大闭环负反馈，次级线圈中产生与初级电流一一对应的次级补偿电流，运算放大器与霍尔元件连接，运算放大器的输入端设置有电平转移电路，运算放大器的输出端与带自偏置的推挽输出功率三极管驱动连接，推挽输出功率三极管与带磁芯的次级线圈驱动连接，运算放大器的反相输入端与推挽输出功率三极管的输出端之间设置有比例积分电路，推挽输出功率三极管设置有高压释放电路，霍尔元件采用恒压工作，次级补偿电流通过高精度的取样电阻和带防短路放大器转换为电压输出。

优选的，霍尔元件为贴片式封装霍尔元件。

优选的，运算放大器为轨至轨输出的双运算放大器。

优选的，推挽输出功率三极管为0.5W-3W的中小功率三极管。

优选的，恒压偏置电压的电压范围为0.6-1.25V。

本实用新型的有益技术效果：

1、本实用新型的所采用轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管，使输出三极管输出无畸变和传感器的工作电源电压更宽，亦使输出三极管的输出电压接近轨至轨，增加了电流传感器对电流的线性测量范围及抗饱和能力。

由霍尔元件、轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管、带磁芯的次级线圈，形成大闭环负反馈，在次级线圈中产生与初级电流一一对应的次级补偿电流，使霍尔元件的输出电压放大后直接驱动次级线圈，使信号传输级数越少，传输时间越短，传感器的响应速度越快、工作频带越宽，并以非常小的功率驱动更大的功率且静态功耗很小。

霍尔元件采用片式封装霍尔元件，运算放大器采用轨至轨输出的双运算放大器，输出三极管为0.5W-3W的中小功率三极管。使输出三极管的静态功耗在整个温区内非常稳定，同时亦减少元器件的个数，对所有电子元器件采用SMD工艺，实现全自动流水生产，提高产品的可靠性，大幅度地提高了生产效率、降低了成本，所有电子元器件的成本降低到0.5美元以内。

2、对霍尔元件采用恒压工作模式，使传感器输出的温度稳定性好，工作温度范围更宽；传感器对电流的测量精度越高、测量下限越低；生产效率越高，制造成本越低，真正做到了价廉物美；其零点温漂为30ppm/℃～100ppm/℃，幅度温漂为30ppm/℃～50ppm/℃，工作温区达到-40～85℃。

3、对次级输出电流通过高精度的取样电阻和带防短路放大器转换成电压输出。电路结合了开环和闭环原理的特点，使电流传感器的性能具有两种工作原理的双重优势。

附图说明

图1为电流输出闭环型霍尔电流传感器原理框图；

图2为电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图；

图3为电压输出闭环型霍尔电流传感器电路图；

图4为国外闭环型霍尔电流传感器电子线路图；

图5为InSb霍尔元件的不平衡电压的温度特性；

图6为InSb霍尔元件的输出电压的温度特性。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1-图3所示，本实施例提供的全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，包括霍尔元件、轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管和带磁芯的次级线圈形成的大闭环负反馈，次级线圈中产生与初级电流一一对应的次级补偿电流，运算放大器与霍尔元件连接，运算放大器的输入端设置有电平转移电路，运算放大器的输出端与带自偏置的推挽输出功率三极管驱动连接，推挽输出功率三极管与带磁芯的次级线圈驱动连接，运算放大器的反相输入端与推挽输出功率三极管的输出端之间设置有比例积分电路，推挽输出功率三极管设置有高压释放电路，霍尔元件采用恒压工作，次级补偿电流通过高精度的取样电阻和带防短路放大器转换为电压输出。轨至轨输出的双运算放大器为TP4580SOP-8或MSOP8；对输出三极管进行自偏置的电阻R11＝620Ω；霍尔元件为HNE525SRSOT143；其恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25VSOT-23；二极管D采用串联型二极管BAV99LT1SOT-523，取样电阻R12＝36Ω±0.1％-200Ω±0.1％，120625ppm/℃，250mW实现I/V变换，R14、R15的精度为±0.1％，AV＝1+R15/R14为输出级电压放大倍数，R13＝200Ω为防短路电阻，C4＝51PF，C5＝1000PF分别为提高运放输出端容性负载能力和滤波电容；D为次级线圈高压释放二极管，对输出三极管进行保护；输出三极管为0.5W-3W的中小功率三极管，本实施例采用MMBT3904/3906，S0T-891W互补对管，在±15V时，轨至轨输出的运算放大器驱动带自偏置的推挽输出功率三极管的最大输出电压为±(15V-0.65V)＝±14.35V，在额定输出电压为4V时，其最大检测电流为3倍额定电流以上。

当输入额定电流为3A/5A、10A/15A、20A/25A/30A/50A时，初级匝数NP分别为7T、2T、1T，次级匝数NS分别为2100T/2187T、2000T/2250T、2000T/2250T/2250T/2250T，取样电阻分别为200Ω±0.1％/50Ω±0.1％、200Ω±0.1％/100Ω±0.1％、200Ω±0.1％/120Ω±0.1％/100Ω±0.1％/36Ω±0.1％，额定输出电压为4V时的输出级电压放大倍数AV分别为2/5、2/3、2/3/3/5；由于自动绕线机的绕线精度为0.1％，此时传感器的理论检测精度为0.2％，传感器的标称精度为0.5％，实现了小电流(50A以下)的高精度测量。

全PCB安装式电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图如图2，与图3相比，少了取样电阻及输出级运算放大器。

全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器一般次级最大输出电流在100mA以内。

当选择不同的功率三极管及次级匝数时，此电路亦可作穿芯式闭环型霍尔电流传感器的电子线路。

以上所述，仅为本实用新型进一步的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于：包括霍尔元件、轨至轨输出的运算放大器、带自偏置的推挽输出功率三极管和带磁芯的次级线圈形成的大闭环负反馈，次级线圈中产生与初级电流一一对应的次级补偿电流，运算放大器与霍尔元件连接，运算放大器的输入端设置有电平转移电路，运算放大器的输出端与带自偏置的推挽输出功率三极管驱动连接，推挽输出功率三极管与带磁芯的次级线圈驱动连接，运算放大器的反相输入端与推挽输出功率三极管的输出端之间设置有比例积分电路，推挽输出功率三极管设置有高压释放电路，霍尔元件采用恒压工作，次级补偿电流通过高精度的取样电阻和带防短路放大器转换为电压输出。

2.根据权利要求1所述的一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于：霍尔元件为贴片式封装霍尔元件。

3.根据权利要求1所述的一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于：运算放大器为轨至轨输出的双运算放大器。

4.根据权利要求1所述的一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于：推挽输出功率三极管为0.5W-3W的中小功率三极管。

5.根据权利要求1所述的一种全PCB安装式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于：恒压偏置电压的电压范围为0.6-1.25V。

Images