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一種霍爾電流傳感器的電路設(shè)計(jì)

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發(fā)布日期:[2011-1-25]    共閱[4377]次 中國(guó)電氣市場(chǎng)采購(gòu)網(wǎng)[EM39.com] {鼠標(biāo)雙擊自動(dòng)滾屏}
      設(shè)計(jì)了一種零磁通型霍爾電流傳感器,可廣泛應(yīng)用于交流變頻驅(qū)動(dòng)、焊接電源、開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源等領(lǐng)域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過(guò)砷化鎵霍爾元件檢測(cè)由通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng),繼而有效地檢測(cè)被測(cè)電流。

  由于霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)很微弱,而且還存在較大的失調(diào)電壓,因此對(duì)霍爾電壓的放大和對(duì)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償是該設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要需要解決的問(wèn)題,而且霍爾元件中載流子濃度等隨溫度變化而變化,因此還需用溫度補(bǔ)償電路對(duì)其溫度補(bǔ)償。

  1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

  系統(tǒng)分為4個(gè)部分:1)霍爾元件的供電電路,由電壓基準(zhǔn)(電流基準(zhǔn))芯片為霍爾片提供工作電流;2)霍爾元件及磁芯,將感應(yīng)片感應(yīng)的磁場(chǎng)(該磁場(chǎng)由通電電流產(chǎn)生)轉(zhuǎn)化為霍爾電壓;3)放大電路,將微弱的霍爾電壓進(jìn)行放大;4)反饋部分,利用了磁平衡原理:一次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),通過(guò)二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償,使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。其系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

  2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)由±5 V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準(zhǔn)芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準(zhǔn)電壓。HW300B是一款可采用電壓模式供電和電流模式供電的霍爾元件,HW300B放在開(kāi)有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里,并用膠水加以固定(霍爾元件和集磁環(huán)相對(duì)位置如果發(fā)生變化,會(huì)影響產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)的大小);魻栐妮敵鼋又羶x器放大器AD620,作為放大器的差模出入端和共模輸入端。放大器的增益可通過(guò)調(diào)節(jié)1、8引腳之間的10 kΩ的電位器改變。放大器的輸出接反饋線圈,該反饋線圈繞在集磁環(huán)上,其繞線方向能使通過(guò)它的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)方向相反。反饋線圈末端放1個(gè)75 kΩ的精阻接地,可以通過(guò)測(cè)量精阻兩端的電壓,計(jì)算反饋線圈中的電流,進(jìn)而推算穿過(guò)集磁環(huán)中心的被測(cè)電流的大小。其具體電路圖如圖2所示。

  2.1 REF3012

  以SOT23-3封裝的REF3012是一個(gè)高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常適用于便攜式和電池供電。它不需要負(fù)載電容,但對(duì)任何容性負(fù)載很穩(wěn)定。因磁敏型霍爾元件很容易受溫度的影響,可以采用恒流源供電以減小其溫度系數(shù)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,REF3012的輸入引腳1接+5 V電源,并接10μF的旁路電容至地,該旁路電容對(duì)電源進(jìn)行濾波,提高電源穩(wěn)定性。而其輸出引腳2接到HW300B的引腳1,并且也接1O μF的旁路電容至地,GND(地)引腳3接地。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求REF3012為HW300B提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓,根據(jù)REF3012的數(shù)據(jù)資料可知,當(dāng)輸入電壓為5 V時(shí),輸出電壓為2.5 V,所以REF3012引腳1接+5 V電壓。

  2.2 霍爾元件

  本設(shè)計(jì)采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件,輸出霍爾電壓范圍122~204mV,輸入、輸出阻抗為240~550 Ω,補(bǔ)償電壓為-7~7 mV,溫度系數(shù)為-1.8%/℃。其輸入可采用電壓模式供電,也可采用電流模式供電。這里采用電壓模式供電,即就是HW300B的引腳1、3為控制輸入端,而引腳2、4為霍爾電壓輸出端。

  霍爾元件是將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的線性磁敏元件,霍爾輸出電壓

  式中,S為乘積靈敏度,mV/(mT.mA);Ic為工作電流,mA;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,mT。

  本設(shè)計(jì)中,將霍爾元件放進(jìn)開(kāi)有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里,并將霍爾元件和集磁環(huán)固定,這樣可以感應(yīng)出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。式(1)中,當(dāng)S與Ic一定,則Vh與B有直接線性關(guān)系。通電導(dǎo)體周?chē)厝划a(chǎn)生磁場(chǎng),根據(jù)安培定律,電流與磁場(chǎng)的關(guān)系式

  ∮BdI=μ0I0得:

  式中,μ0為真空磁導(dǎo)率,

  根據(jù)安培回路定律,可得到這種磁路形式的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系

  由式(6)可知,根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度S,工作電流Ic,真空磁導(dǎo)率μ0,被測(cè)電流I0,纏繞匝數(shù)N1,氣隙長(zhǎng)度l2,便可計(jì)算出霍爾電壓Vh。而且可知,氣隙長(zhǎng)度l2越小,霍爾電壓Vh越大,所以氣隙應(yīng)以剛好卡住霍爾元件為宜。

  2.3 放大電路

  由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào),輸出一般為幾毫伏的電壓,需對(duì)其進(jìn)行放大。這里采用AD620型儀器放大器,它通過(guò)改變電阻而改變放大倍數(shù)(1~1000)。AD620的1、8引腳之間通過(guò)跨接1只10 kΩ的電位器和1只75 Ω的電阻來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。若要改變放大倍數(shù),可調(diào)節(jié)電位器AD620的引腳7、4分別接+5 V、-5 V的工作電壓,并且分別接0.01 μF的旁路電容至地,用來(lái)濾除交流成分,使輸出的直流更平滑;而其引腳3、2分別接霍爾元件的引腳2、4,其引腳6輸出放大后的電壓值,接反饋線圈;引腳5是參考基準(zhǔn),接REF3012的引腳3,作為整個(gè)系統(tǒng)的地接。

  儀器放大器電路由3個(gè)放大器共同組成,其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用范圍內(nèi)(1~10kΩ),根據(jù)固定的電阻R調(diào)整其放大倍數(shù),關(guān)系式如下:(需要注意每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)象,放大器的最大輸出電壓為其工作電壓±Vc)。AD620的輸出電壓Vo與輸入電壓V1、V2關(guān)系式如式(7)所示:

  2010年的電子行業(yè)是經(jīng)濟(jì)全面復(fù)蘇的一年,讓我們一起回味過(guò)去一年整個(gè)電子行業(yè)的技術(shù)熱點(diǎn)。

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