CN211905486U - 一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，属于传感器技术领域，包括压控电流源，压控电流源的内部设置有运算放大器、输出三极管和带电平转移的静态偏置电路，霍尔元件的输出端连接到运算放大器输入端，并设置有电平转移电路。本实用新型对霍尔元件采用恒压工作模式，对多个霍尔元件输出求算术平均值，使传感器输出的温度稳定性越好，工作温度范围更宽，制造成本越低，真正做到了价廉物美，对多个霍尔元件输出求算术平均值，传感器对电流的测量位置误差越小、测量精度越高和测量下限越低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电子线路，特别是涉及一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，属于传感器技术领域。
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1、图2所示。国外宽电源范围闭环型霍尔电流传感器电子线路图如图3，这种电子线路存在以下问题：
1、如图1，InSb霍尔元件的不平衡电压在恒压工作条件下其温度特性非常平坦。而在图3中，当传感器供电电压一定时，两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。
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、如图3，从放大器的输出端看，放大器输出直接控制一个无偏置的射极跟随器，其负载电阻由电源电压直接偏置，压控电流源的输出电流越大其静态功耗越大，负载电阻上的功耗越大，因此负载电阻必须是大功率电阻。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是为了解决现有技术的不足，提供一种穿芯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：
一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，包括压控电流源，压控电流源内设置有运算放大器、输出三极管和带电平转移的静态偏置电路，霍尔元件的输出端连接到运算放大器输入端，并设置有电平转移电路，运算放大器电源端的电流信号添加电平转移，输出三极管进行静态偏置并带可变电流放大倍数，运算放大器静态工作电流的负温度系数对输出三极管PN结的负温度系数全温区跟踪补偿，运算放大器输出端驱动或先驱动带自偏置推挽三极管，运算放大器输出端驱动带电平转移的负载电阻，霍尔元件的输出电压经压控电流源中的运算放大器放大后，由输出三极管驱动次级线圈产生与输入电流一一对应的次级电流。
优选的，输出三极管为一对共集电极的互补功率三极管，或者为多对共集电极的互补功率三极管并联。
优选的，霍尔元件采用恒压工作的偏置电压，且恒压偏置电压Vz采用 AZ432-1.25V。
本实用新型的有益技术效果：
1、从运算放大器电源端取电流信号并加电平转移和对输出三极管进行静态偏置，使输出三极管输出无畸变和传感器的工作电源电压更宽，用运算放大器静态工作电流的负温度系数对输出三极管PN结的负温度系数全温区跟踪补偿，运算放大器输出端直接驱动或先驱动带自偏置推挽三极管后再驱动带电平转移的负载电阻，使霍尔元件的输出电压直接驱动压控电流源，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。
2、对霍尔元件采用恒压工作模式，对多个霍尔元件输出求算术平均值，使传感器输出的温度稳定性越好，工作温度范围更宽，制造成本越低，真正做到了价廉物美，其零点温漂为30ppm/℃～100ppm/℃，工作温区达到-40～85℃。
3、对多个霍尔元件输出求算术平均值，传感器对电流的测量位置误差越小、测量精度越高和测量下限越低，使小电流25A以下的待测电流实现了穿芯式高精度测量，测量精度达到0.2％FS以内，50A以上的大电流测量精度达到 0.1％FS以内。
附图说明
图1为InSb霍尔元件的不平衡电压的温度特性示意图；
图2为InSb霍尔元件的输出电压的温度特性示意图；
图3为国外宽电源范围的闭环型霍尔电流传感器电子线路图；
图4为运算放大器静态工作电流的温度曲线图；
图5为宽电源范围电流输出高精度闭环型霍尔电流传感器电路框图；
图6为高精度电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图；
图7为宽电源范围高精度电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图。
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7所示，本实施例提供的穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，包括压控电流源，压控电流源内设置有运算放大器、输出三极管和带电平转移的静态偏置电路，霍尔元件的输出端连接到运算放大器输入端，并设置有电平转移电路，对输出三极管进行静态偏置并带可变电流放大倍数，运算放大器静态工作电流的负温度系数对输出三极管PN结的负温度系数全温区跟踪补偿，运算放大器输出端驱动或先驱动带自偏置推挽三极管，运算放大器输出端驱动带电平转移的负载电阻，霍尔元件的输出电压经压控电流源中的运算放大器放大后，由输出三极管驱动次级线圈产生与输入电流一一对应的次级电流。
在本实施例中，如图4所示，输出三极管为一对共集电极的互补功率三极管，或者为多对共集电极的互补功率三极管并联，霍尔元件采用恒压工作的偏置电压，且恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25V。
本实施例一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路如图6，从运算放大器BA4580RF的电源端取电流信号并对输出三极管进行静态偏置、运算放大器输出端直接驱动带电平转移VZ4＝VZ5＝10V负载电阻R12＝3.3KΩ和运算放大器工作电流的温度曲线图如图4，用VZ2＝VZ3＝3V-3.3V对运算放大器工作电源电平转移，用R8＝R11＝180-200Ω从运算放大器电源端取电流信号并对输出三极管进行静态偏置，其温度特性与硅双极型三极管PN结温度特性非常接近，实现对三极管静态偏置电流全温区跟踪补偿，根据输出三极管种类不同，调整镇流电阻R13的大小，使输出三极管的Vbe＞0.55V及三极管的静态电流2mA ＜Ic＜10mA，R8/R13为压控电流源VCS的电流放大倍数；两个比例积分参数分别为R6＝470KΩ，C2＝100PF，R7＝20KΩ，C3＝1000PF，D为次级线圈高压释放二极管，对输出三极管进行保护；压控电流源VCS输出三极管为ICM＝3A-6A 功率三极管，霍尔元件为HNE313；其恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25V， SOT-23。
图7与图6相比，为满足宽电源范围要求，用VZ1＝24V对电源电压进行预稳压，用TR1、TR2代替VZ3和VZ4对运算放大器电源端实施电平转移，运算放大器先驱动带自偏置共射极小功率三极管再去驱动负载电阻，输出三极管为 ICM＝6A大功率三极管，三对共集电极互补功率三极管并联，以驱动更大的输出电流。
综上，在本实施例中，按照本实施例的穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，从运算放大器BA4580RF的电源端取电流信号并对输出三极管进行静态偏置、运算放大器输出端直接驱动带电平转移VZ4＝VZ5＝10V负载电阻R12＝3.3KΩ和运算放大器工作电流的温度曲线图如图4，用 VZ2＝VZ3＝3V-3.3V对运算放大器工作电源电平转移，用R8＝R11＝180-200Ω从运算放大器电源端取电流信号并对输出三极管进行静态偏置，其温度特性与硅双极型三极管PN结温度特性非常接近，实现对三极管静态偏置电流全温区跟踪补偿，根据输出三极管种类不同，调整镇流电阻R13的大小，使输出三极管的Vbe ＞0.55V及三极管的静态电流2mA＜Ic＜10mA，R8/R13为压控电流源VCS的电流放大倍数；两个比例积分参数分别为R6＝470KΩ，C2＝100PF，R7＝20KΩ，C3＝1000PF，D为次级线圈高压释放二极管，对输出三极管进行保护；压控电流源VCS输出三极管为ICM＝3A-6A功率三极管，霍尔元件为HNE313；其恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25V，SOT-23，从运算放大器电源端取电流信号并加电平转移和对输出三极管进行静态偏置，使输出三极管输出无畸变和传感器的工作电源电压更宽，用运算放大器静态工作电流的负温度系数对输出三极管PN 结的负温度系数全温区跟踪补偿，运算放大器输出端直接驱动或先驱动带自偏置推挽三极管后再驱动带电平转移的负载电阻，使霍尔元件的输出电压直接驱动压控电流源，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；对霍尔元件采用恒压工作模式，对多个霍尔元件输出求算术平均值，使传感器输出的温度稳定性越好，工作温度范围更宽，制造成本越低，真正做到了价廉物美，其零点温漂为30ppm/℃～100ppm/℃，工作温区达到-40～85℃；对多个霍尔元件输出求算术平均值，传感器对电流的测量位置误差越小、测量精度越高和测量下限越低，使小电流25A以下的待测电流实现了穿芯式高精度测量，测量精度达到0.2％FS以内，50A以上的大电流测量精度达到0.1％FS以内。
以上，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 (3)
1.一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于，包括压控电流源，所述压控电流源内设置有运算放大器、输出三极管和带电平转移的静态偏置电路，霍尔元件的输出端连接到所述运算放大器输入端，并设置有电平转移电路，所述运算放大器电源端的电流信号添加电平转移，输出三极管进行静态偏置并带可变电流放大倍数，所述运算放大器静态工作电流的负温度系数对所述输出三极管PN结的负温度系数全温区跟踪补偿，所述运算放大器输出端驱动或先驱动带自偏置推挽三极管，所述运算放大器输出端驱动带电平转移的负载电阻，霍尔元件的输出电压经压控电流源中的所述运算放大器放大后，由所述输出三极管驱动次级线圈产生与输入电流一一对应的次级电流。
2.根据权利要求1所述的一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于，所述输出三极管为一对共集电极的互补功率三极管，或者为多对共集电极的互补功率三极管并联。
3.根据权利要求1所述的一种穿芯式闭环型霍尔电流传感器用低成本电子线路，其特征在于，所述霍尔元件采用恒压工作的偏置电压，且恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25V。
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2019
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