CN215641478U

CN215641478U - 一种磁平衡式电流传感器

Info

Publication number: CN215641478U
Application number: CN202121565532.1U
Authority: CN
Inventors: 潘飞蹊; 罗洪亮
Original assignee: Shenzhen Xinruida Electric Power Equipments Co ltd
Current assignee: Shenzhen Xinruida Electric Power Equipments Co ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2031-07-09

Abstract

本实用新型公开了一种磁平衡式电流传感器，包括：磁回路、霍尔元件、后级放大器、开关控制信号模块和反馈电流线圈；磁回路，用于缠绕待测线圈和反馈电流线圈；霍尔元件置于磁回路中；霍尔元件、后级放大器、开关控制信号模块和反馈电流线圈依次连接；所述霍尔元件，用于检测所置环境的磁感应强度，并输出电信号；所述后级放大器，用于对所述电信号进行放大；所述开关控制信号模块，用于对放大后的电信号进行离散处理生成开关控制信号；所述反馈电流线圈，用于根据所述开关控制信号在所述磁回路进行激励控制磁平衡，并产生反馈电流。本实用新型提供的磁平衡式电流传感器功耗低。

Description

一种磁平衡式电流传感器

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，尤其涉及一种磁平衡式电流传感器。

背景技术

目前，经典霍尔效应是1879年由美国物理学家霍尔发现的一种磁电效应，并以此命名的。在现代工业中，利用霍尔效应制成的半导体元件广泛的应用于自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器可以检测霍尔元件所处环境的磁感应强度，典型应用就是电流测量领域。霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性霍尔传感器又包括开环式电流传感器和闭环式电流传感器两种，霍尔闭环电流传感器又叫磁平衡式电流传感器。其中，线型霍尔传感器因拥有很宽的磁场工作范围，以及几乎不受振动、潮湿、灰尘、油膜或环境照明等环境因素的影响的特点受到了广泛应用，特别是磁平衡式电流传感器。但是，传统磁平衡式电流传感器功耗大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种磁平衡式电流传感器，以解决传统的磁平衡式电流传感器功耗大的问题。

本实用新型实施例提供的一种磁平衡式电流传感器，包括：磁回路、霍尔元件、后级放大器、开关控制信号模块和反馈电流线圈；所述霍尔元件置于所述磁回路中；所述霍尔元件、所述后级放大器、所述开关控制信号模块和所述反馈电流线圈依次连接；

所述磁回路，用于缠绕待测线圈和所述反馈电流线圈；

所述霍尔元件，用于检测所置环境的磁感应强度，并输出电信号；

所述后级放大器，用于对所述电信号进行放大；

所述开关控制信号模块，用于对放大后的电信号进行离散处理生成开关控制信号；

所述反馈电流线圈，用于根据所述开关控制信号在所述磁回路进行激励控制磁平衡，并产生反馈电流。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本实用新型实施例提供的磁平衡式电流传感器，将霍尔元件置于磁回路中，检测所置环境的磁感应强度，通过霍尔元件、后级放大器、开关控制信号模块和反馈电流线圈依次连接，对霍尔元件检测出的电信号进行放大和调制处理后驱动反馈电流线圈，控制磁回路中的磁平衡，进而通过反馈电流线圈中的电流确定缠绕在磁回路上待测线圈中的电流。经过开关控制信号模块对放大后的电信号进行调制，降低了驱动反馈电流线圈的电压，降低了反馈电流线圈的功耗，从而降低了磁平衡式电流传感器的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的磁平衡式电流传感器结构和原理示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的磁平衡式电流传感器的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的开关控制信号模块的结构和工作原理示意图；

附图标记：11、磁回路；12、霍尔元件；13、后级放大器；反馈电流线圈14；21、磁回路；22、霍尔元件；23、后级放大器；24、开关控制信号模块；25、反馈电流线圈；241、比较器；242、开关变换器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

图1是传统的磁平衡式电流传感器结构和原理示意图，如图所示，磁平衡式电流传感器包括：磁回路11、霍尔元件12、后级放大器13和反馈电流线圈14。

其中，磁回路11用磁性材料构成，待测电流I_X一般在磁回路11中单匝穿芯而过。霍尔元件12置于磁回路11中，霍尔元件12的输出信号由后级放大器13检测并放大后输入反馈电流线圈14，反馈电流线圈14缠绕在磁回路11上，反馈电流线圈14在放大后的电信号的驱动下产生反馈电流I_F。

此时，磁回路11中的磁感应强度是待测电流I_X所产生磁感应强度与反馈电流线圈中反馈电流I_F所产生磁感应强度的叠加。通过负反馈控制，使得磁回路11中的磁感应强度始终为零(或一个定值)，则可以用所述反馈电流线圈中的电流I_F来表征待测电流I_X的值。该电流检测方法一般又称为“零磁通(或恒磁通)”控制式。

采用上述方法，反馈电流线圈14中的反馈电流I_F正比于待测电流I_X，即

其中，I_F为反馈电流；I_X为待测电流；N为反馈电流线圈14匝数。

在传统的控制方法中，反馈电流线圈14中的反馈电流I_F的产生，都是用电子学中所谓“线性变换”的方法实现的，此时为提供所需的反馈电流I_F，电源所消耗的功率为：

其中，V_CC为电源电压；P为电源消耗的功率；I_F为反馈电流；I_X为待测电流；N为反馈电流线圈14匝数。

可见，电源功耗与待测电流I_X，反馈电流线圈14匝数N以及电源电压V_CC相关。当在进行大电流测量时，磁平衡式电流传感器将会产生较大的功耗。本实用新型则旨在通过对磁平衡式电流传感器进行改进以降低功耗。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细的描述：

图2为本实用新型一实施例提供的磁平衡式电流传感器的结构示意图，该磁平衡式电流传感器包括：磁回路21、霍尔元件22、后级放大器23、开关控制信号模块24和反馈电流线圈25。

其中，霍尔元件22置于磁回路21中，霍尔元件22、后级放大器23、开关控制信号模块24和反馈电流线圈25依次连接。

磁回路21，用于缠绕待测线圈和反馈电流线圈25。

霍尔元件22，用于检测所置环境的磁感应强度，并输出电信号。

后级放大器23，用于对电信号进行放大。

开关控制信号模块24，用于对放大后的电信号进行离散处理生成开关控制信号。与图1的传统磁平衡式电流传感器相比，后级放大器23的输出信号并不直接用于控制反馈电流线圈25，而是作为调制信号输入开关控制信号模块24，由开关控制信号模块24对后级放大器23的输出信号进行离散化处理，形成开关控制信号，进而去控制和驱动反馈电流线圈25。

一般情况下，磁平衡式电流传感器的输入电压为15V，本实施例提供的磁平衡式电流传感器通过开关控制信号模块24对放大后电信号的调制，调整输入反馈电流线圈25的电压值，适当的降低反馈电流线圈25的输入电压，例如：调整至10v或5v，在保证能够成功驱动反馈电流线圈25的情况下，降低反馈电流线圈25的功耗。特别是在待检电流较大的情况下，可以有效地降低反馈电流线圈25的功耗，从而降低磁平衡式电流传感器。

反馈电流线圈25，用于根据开关控制信号在磁回路21进行激励控制磁平衡，并产生反馈电流。反馈电流线圈25通过负反馈控制，使得磁回路11中的磁感应强度始终为零(或一个定值)，则以通过反馈电流线圈中的电流来表征待测线圈中的待测电流。

为了更好地说明本实用新型的特点及优势，以一具体实施例对比说明电子学中线性变换和开关变换的电源功耗。

假设有一个电压(或电流)变换器，其输入电压为V_CC，输出电压为Vo，输出电流为I_O。如果该变换器采用线性变换方案，则在理想情况下，电源消耗的功率至少为：

P＝|V_CC×Io|

其中，P为电源消耗的功率；V_CC为电源电压；I_O为输出电流。

此时的电压转换效率最多为：

其中，η为电压转化率；V_CC为电源电压；Vo为输出电压。

如果该变换器采用开关变换方案，则在理想情况下，转换效率最多为110％，电源消耗的功率至少为：

P＝|Vo×Io|

其中，P为电源消耗的功率；Vo为输出电压；I_O为输出电流。

由此可知，开关变换相较于线性变换可以有效降低功耗。对于开关变换和线性变换方案为电子技术领域中任意的变换方案，在此不加以详细论证。

如上述实施例，本实用新型采用开关变换的方法来产生反馈电流线圈25中的反馈电流I_F，提高了转换效率，降低了磁平衡式电流传感器的功耗。另外，磁回路21和反馈电流线圈25可以视为一个电感，直接相当于开关变换中所需要的变换电感，因此电路中并不需要真正增加额外的变换电感，也不需要增加过多的硬件成本。

本实用新型实施例提供的磁平衡式电流传感器，将霍尔元件22置于磁回路21中，检测所置环境的磁感应强度，通过霍尔元件22、后级放大器23、开关控制信号模块24和反馈电流线圈25依次连接，对霍尔元件22检测出的电信号进行放大和调制处理后驱动反馈电流线圈25，控制磁回路21中的磁平衡，进而通过反馈电流线圈25中的电流确定缠绕在磁回路21上待测线圈中的电流。经过开关控制信号模块24对放大后的电信号进行调制，降低了驱动反馈电流线圈25的电压，降低了反馈电流线圈25的功耗，从而降低了磁平衡式电流传感器的功耗。

在一些实施例中，如图3所示，是本实用新型一实施例提供的开关控制信号模块的结构和工作原理示意图，其中，开关控制信号模块24包括比较器241。

比较器241的输入端分别与后级放大器23和交变信号连接。

比较器241，用于根据对放大后的电信号和交变信号进行比较产生离散的开关控制信号。

比较器241的输出端，用于输出开关控制信号。

在一些实施例中，交变信号为三角波或锯齿波。其中，图3所示的交变信号为三角波。

在一些实施例中，开关控制信号模块24还包括开关变换器242(在图3中示出)。开关变换器242与比较器241的输出端连接，用于对开关控制信号进行电压调整。

图3所示的磁平衡式电流传感器采用开关变换器242中常见的脉冲宽度调制技术，将后级放大器23的输出信号进行离散化处理，形成开关控制信号。具体原理是，将后级放大器23的输出信号和一个交变信号进行比较，比较器241的输出即可形成所需的离散开关控制信号。

在其他实施例中，开关变换器242基于频率调制或导通时间控制等技术对离散化处理后的输出信号进行调制。

一般情况下，磁平衡式电流传感器的输入电压为15V，本实施例提供的磁平衡式电流传感器通过开关变换器242对离散化处理后的输出信号进行调制，调整输入反馈电流线圈25的电压值，适当的降低反馈电流线圈25的输入电压，例如：调整至10v或5v，在保证能够成功驱动反馈电流线圈25的情况下，降低反馈电流线圈25的功耗。特别是在待检电流较大的情况下，可以有效地降低反馈电流线圈25的功耗，从而降低磁平衡式电流传感器。

在不同实施例中，开关变换器242的结构不同。

可选的，开关变换器242为buck变换器。

可选的，开关变换器242为boost变换器、buck-boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器或Zeta变换器。其中，boost变换器、buck-boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器或Zeta变换器为具有升压功能的开关变换器，使得磁平衡式电流传感器的输出具有更大的动态电压输出范围。对比传统的控制方法，在需要产生相同的反馈电流的情况下，磁平衡式电流传感器可以工作在更低的电源电压下。

另外，开关变换器242不限于上述常规变换器结构，还包括其他衍生结构。

在一些实施例中，磁回路21包含气隙。气隙可以减小磁导率，降低线圈特性依赖于磁芯材料的起始磁导率。为避免气隙降低磁导率增加反馈电流线圈25，所以需要适当的折中，气隙不可过大也不可过小。

在一些实施例中，磁回路21不包含气隙。其中，不包含气隙可以避免漏磁，降低磁平衡式霍尔电流传感器的功耗，但是，磁平衡式电流传感器的制作工艺要求较高。

在一些实施例中，反馈电流线圈25的数量为一组。在一些实施例中，反馈电流线圈25的数量为多组

在一些实施例中，待测线圈为单匝线圈。

在一些实施例中，开关控制信号模块的数量为一个或多个。

在一些实施例中，所述霍尔元件的数量为一个或多个。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种磁平衡式电流传感器，其特征在于，包括：磁回路、霍尔元件、后级放大器、开关控制信号模块和反馈电流线圈；

所述霍尔元件置于所述磁回路中；所述霍尔元件、所述后级放大器、所述开关控制信号模块和所述反馈电流线圈依次连接；

所述磁回路，用于缠绕待测线圈和所述反馈电流线圈；

所述后级放大器，用于对所述电信号进行放大；

2.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述开关控制信号模块包括比较器；

所述比较器的输入端分别与所述后级放大器和交变信号连接；

所述比较器，用于根据对放大后的电信号和所述交变信号进行比较产生离散的开关控制信号；

所述比较器的输出端，用于输出所述开关控制信号。

3.根据权利要求2所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述交变信号为三角波或锯齿波。

4.根据权利要求2或3所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述开关控制信号模块还包括开关变换器；

所述开关变换器与所述比较器的输出端连接，用于对所述开关控制信号进行电压调整。

5.根据权利要求4所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述开关变换器为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器或Zeta变换器。

6.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述磁回路包含气隙或不包含气隙。

7.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述反馈电流线圈的数量为一组或多组。

8.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述待测线圈为单匝线圈。

9.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述开关控制信号模块的数量为一个或多个。

10.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，所述霍尔元件的数量为一个或多个。