本發(fā)明涉及電流傳感器，特別是一種開環(huán)型霍爾電流傳感器及電路。

背景技術(shù)：

傳感器是一種檢測裝置，能檢測到被檢設(shè)備的相關(guān)信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器應(yīng)用范圍非常廣泛，為儀器儀表設(shè)備提供一種全新的技術(shù)支持?；魻栯娏鱾鞲衅魇菓?yīng)用霍爾效應(yīng)原理研制出的一種對原邊電流進(jìn)行隔離檢測的電流檢測元件，原邊電流產(chǎn)生的磁場由聚磁環(huán)所收集，置于聚磁環(huán)中的霍爾元件對該磁場進(jìn)行采集，產(chǎn)生一個與原邊磁場等比例的霍爾電壓，通過測量該霍爾電壓的大小，就可實(shí)現(xiàn)對原邊電流的隔離檢測。廣泛應(yīng)用于各種變流技術(shù)、交流數(shù)控裝置等以電流作為控制對象的自控領(lǐng)域中。

現(xiàn)有的霍爾電流傳感器有開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)型霍爾電流傳感器由帶氣隙的環(huán)(方)形磁芯、霍爾元件及放大電路組成，霍爾元件直接檢測待測電流在磁芯氣隙中產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，其靈敏度適中，溫度穩(wěn)定性是最重要因素，一般選砷化鎵材料制作的分子束外延型霍爾元件MG910，分子束外延型霍爾元件因其分子束外延的工藝過程是物理過程，產(chǎn)生不均勻、層錯或位錯等缺陷的幾率要小得多。然而，在磁場不變的情況下，霍爾元件的輸出電壓隨著工作溫度遞增幾近線性遞減，這就對電流測量精度造成了影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種精確度高、高性能的開環(huán)型霍爾電流傳感器及具有該電流傳感器的電路，提高穩(wěn)定性，降低溫度變化對電流測量精度的不利影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種開環(huán)型霍爾電流傳感器，包括霍爾元件，還包括溫度補(bǔ)償電路，所述溫度補(bǔ)償電路包括線性正溫度系數(shù)恒流源、同相放大器和零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路，所述線性正溫度系數(shù)恒流源的輸出端耦合到所述霍爾元件和所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路，所述同相放大器的輸入端耦合到霍爾元件，以利用所述同相放大器將所述霍爾元件的差分輸出變換成單端輸出，所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路利用從所述霍爾元件的輸入端上引出的電壓對所述電流傳感器的零點(diǎn)電壓進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，通過所述線性正溫度系數(shù)恒流源、所述同相放大器所述和所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)所述霍爾元件的溫度跟蹤補(bǔ)償。

進(jìn)一步地：

所述線性正溫度系數(shù)恒流源包括第一三極管、第二三極管、三端可調(diào)穩(wěn)壓器件、二極管、第一電阻、第二電阻、第三電阻及第四電阻，所述二極管的陽極通過所述第二電阻連接電源正端，所述二極管的陰極連接所述第一三極管的集電極和所述第二三極管的基極，所述第二三極管的發(fā)射極通過所述第一電阻連接電源正端，所述第二三極管的集電極、所述第一三極管的基極共同連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件的輸出端，并通過所述第四電阻連接電源正端，所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件的輸入端通過所述第三電阻連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件的第三端以及所述第一三極管的發(fā)射極，所述霍爾元件的第一通電端連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件的輸入端和所述第三電阻。

所述同相放大器包括第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路包括第一電位器，所述第一運(yùn)算放大器的第一輸入端連接所述霍爾元件的第一輸出端，所述第一運(yùn)算放大器的第二輸入端連接所述第一電位器的調(diào)節(jié)端，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端與所述第一電位器的第二端以及所述霍爾元件的第二通電端相連并耦合到電源負(fù)端，所述第一電位器的第一端連接所述霍爾元件的第一通電端，所述霍爾元件的第二輸出端通過所述第二運(yùn)算放大器連接電壓輸出端。

所述第一電位器的第一端通過第五電阻連接所述霍爾元件的第一通電端，所述第一電位器的第二端通過第六電阻連接所述霍爾元件的第二通電端，所述霍爾元件的第二通電端通過第七電阻連接到電源負(fù)端，并通過與第七電阻串聯(lián)的第一電容接地。

還包括RC濾波器；所述第二運(yùn)算放大器的第二輸入端連接所述霍爾元件的第二輸出端，所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端連接所述RC濾波器的反饋端，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端通過所述RC濾波器連接到電壓輸出端。

所述RC濾波器包括第二電容、第三電容、第八電阻、第九電阻、第十電阻、第十一電阻，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端通過第八電阻連接電壓輸出端，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端通過第二電容連接所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端，所述第三電容連接在所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端與所述電壓輸出端之間，所述第九電阻與所述第十電阻串聯(lián)在所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端與所述電壓輸出端之間，所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端通過所述第十一電阻接地。

所述RC濾波器還包括第二電位器，所述第二電位器連接在所述第九電阻與所述第十電阻的連接點(diǎn)與所述電壓輸出端之間。

還包括連接在所述電壓輸出端與地之間的第四電容。

還包括位于所述同相放大器的后級輸出位置的RC濾波器。

一種電路，包括所述的開環(huán)型霍爾電流傳感器。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供了一種精確度高、高性能、更加具有性價比的開環(huán)型霍爾電流傳感器，該開環(huán)型霍爾電流傳感器中設(shè)置有溫度補(bǔ)償電路，所述溫度補(bǔ)償電路包括線性正溫度系數(shù)恒流源、同相放大器和零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路，利用同相放大器將霍爾元件的差分輸出變換成單端輸出，所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路利用從所述霍爾元件的輸入端上引出的電壓對所述電流傳感器的零點(diǎn)電壓進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，通過所述線性正溫度系數(shù)恒流源、所述同相放大器所述和所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)所述霍爾元件的溫度跟蹤補(bǔ)償。本發(fā)明的開環(huán)型霍爾電流傳感器將供電的恒流源溫度補(bǔ)償可調(diào)整性的優(yōu)勢，結(jié)合同相放大器輸出與輸入端內(nèi)阻變化無關(guān)的特性，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低了溫度變化對產(chǎn)品零點(diǎn)及幅度輸出的影響。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，由分立器件組成的零溫漂恒流源，其線性溫漂曲線與霍爾元件的輸出溫漂曲線相近，實(shí)現(xiàn)了對霍爾元件的靈敏度溫漂進(jìn)行全溫區(qū)線性溫度跟蹤補(bǔ)償。工作溫區(qū)達(dá)到-40～105℃，大大地提高了開環(huán)型霍爾電流傳感器的電流測量精度，拓展了開環(huán)型霍爾電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明的開環(huán)型霍爾電流傳感器生產(chǎn)成本較低，性能很好，且利于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明開環(huán)型霍爾電流傳感器一種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明開環(huán)型霍爾電流傳感器優(yōu)選實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為恒流源高低溫曲線示意圖；

圖4為本發(fā)明應(yīng)用例的實(shí)測數(shù)據(jù)和線性度曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

參閱圖1和圖2，在一種實(shí)施例中，一種開環(huán)型霍爾電流傳感器，包括霍爾元件和溫度補(bǔ)償電路，所述溫度補(bǔ)償電路包括線性正溫度系數(shù)恒流源、同相放大器和零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路，所述線性正溫度系數(shù)恒流源的輸出端耦合到所述霍爾元件和所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路，所述同相放大器的輸入端耦合到霍爾元件，以利用所述同相放大器將所述霍爾元件的差分輸出變換成單端輸出，所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路利用從所述霍爾元件的輸入端上引出的電壓對所述電流傳感器的零點(diǎn)電壓進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，通過所述線性正溫度系數(shù)恒流源、所述同相放大器所述和所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)所述霍爾元件的溫度跟蹤補(bǔ)償。

如圖2所示，在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述線性正溫度系數(shù)恒流源包括第一三極管Q1A、第二三極管Q1B、三端可調(diào)穩(wěn)壓器件IC1、二極管D1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3及第四電阻R13，所述二極管D1的陽極通過所述第二電阻R2連接電源正端+(VDD)，所述二極管D1的陰極連接所述第一三極管Q1A的集電極和所述第二三極管Q1B的基極，所述第二三極管Q1B的發(fā)射極通過所述第一電阻R1連接電源正端+，所述第二三極管Q1B的集電極、所述第一三極管Q1A的基極共同連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件IC1的輸出端，并通過所述第四電阻R13連接電源正端+，所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件IC1的輸入端通過所述第三電阻R3連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件IC1的第三端以及所述第一三極管Q1A的發(fā)射極，所述霍爾元件hlHl的第一通電端1連接所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器件IC1的輸入端和所述第三電阻R3。

如圖2所示，在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述同相放大器包括第一運(yùn)算放大器op1和第二運(yùn)算放大器op2，所述零點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)電路包括第一電位器VR1，所述第一運(yùn)算放大器op1的第一輸入端IN+1連接所述霍爾元件hl的第一輸出端2，所述第一運(yùn)算放大器op1的第二輸入端IN+2連接所述第一電位器VR1的調(diào)節(jié)端，所述第一運(yùn)算放大器op1的輸出端OUT2與所述第一電位器VR1的第二端以及所述霍爾元件hl的第二通電端3相連并耦合到電源負(fù)端-(VEE)，所述第一電位器VR1的第一端連接所述霍爾元件hl的第一通電端1，所述霍爾元件hl的第二輸出端4通過所述第二運(yùn)算放大器op2連接到電壓輸出端M。

如圖2所示，在更優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一電位器VR1的第一端通過第五電阻R4連接所述霍爾元件hl的第一通電端1，所述第一電位器VR1的第二端通過第六電阻R6連接所述霍爾元件hl的第二通電端3，所述霍爾元件hl的第二通電端3通過第七電阻R11連接到電源負(fù)端-，并通過與第七電阻R11串聯(lián)的第一電容C6接地GND。

如圖2所示，在更優(yōu)選的實(shí)施例中，電流傳感器還包括RC濾波器；所述第二運(yùn)算放大器op2的第二輸入端IN-2連接所述霍爾元件hl的第二輸出端4，所述第二運(yùn)算放大器op2的第一輸入端IN-1連接所述RC濾波器的反饋端，所述第二運(yùn)算放大器op2的輸出端OUT1通過所述RC濾波器連接到電壓輸出端M。

如圖2所示，在更優(yōu)選的實(shí)施例中，所述RC濾波器包括第二電容C4、第三電容C5、第八電阻R5、第九電阻R7、第十電阻R10、第十一電阻R12，所述第二運(yùn)算放大器op2的輸出端OUT1通過第八電阻R5連接電壓輸出端M，所述第二運(yùn)算放大器op2的輸出端OUT1通過第二電容C4連接所述第二運(yùn)算放大器op2的第一輸入端IN-1，所述第三電容C5連接在所述第二運(yùn)算放大器op2的第一輸入端IN-1與所述電壓輸出端M之間，所述第九電阻R7與所述第十電阻R10串聯(lián)在所述第二運(yùn)算放大器op2的第一輸入端IN-1與所述電壓輸出端M之間，所述第二運(yùn)算放大器op2的第一輸入端通過所述第十一電阻R12接地G。

如圖2所示，所述RC濾波器還包括第二電位器VR2，所述第二電位器VR2連接在所述第九電阻R7與所述第十電阻R10的連接點(diǎn)與所述電壓輸出端M之間。

如圖2所示，所述RC濾波器還包括連接在所述電壓輸出端M與地GND之間的第四電容C3。

在另一種實(shí)施例中，一種電路，其可以具有前述任一項(xiàng)實(shí)施例的開環(huán)型霍爾電流傳感器。

以下結(jié)合附圖和實(shí)例參數(shù)進(jìn)一步闡釋本發(fā)明具體實(shí)施例的特征及優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例的開環(huán)型霍爾電流傳感器中，同相放大器與霍爾元件連接，霍爾元件上連接有一個靈敏度溫漂線性溫度補(bǔ)償電路--線性任意可調(diào)溫度系數(shù)恒流源，利用放大器的兩個輸入端電壓相同的特性將霍爾元件的差分輸出變換成單端輸出，從所述霍爾元件的輸入端上引出一個電壓對電流傳感器零點(diǎn)電壓進(jìn)行比例調(diào)節(jié)和溫度跟蹤補(bǔ)償；RC濾波器的電阻在輸出放大器負(fù)反饋之內(nèi)，可以作為輸出短路保護(hù)，且不受負(fù)載變化而變化。

線性正溫度系數(shù)恒流源包括兩個三極管Q1A,Q1B、一個三端可調(diào)穩(wěn)壓電路IC1、一個二極管D1。由分立器件組成的零溫漂恒流源，其線性溫漂曲線與霍爾元件的輸出溫漂曲線相近，實(shí)現(xiàn)了對霍爾元件的靈敏度溫漂進(jìn)行全溫區(qū)線性溫度跟蹤補(bǔ)償。工作溫區(qū)達(dá)到-40～105℃，大大地提高了開環(huán)型霍爾電流傳感器的電流測量精度，拓展了開環(huán)型霍爾電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

如圖2所示，當(dāng)輸入待測電流時，同相放大器的第一運(yùn)算放大器將霍爾元件輸出的小信號放大，另外第二運(yùn)算放大器組成同相放大器，霍爾元件的單端輸出直接接入同相放大器的輸入端。其中第一運(yùn)算放大器的輸入IN+1連接霍爾元件的第二端2，第一運(yùn)算放大器的輸入IN+2通過電壓比例調(diào)節(jié)電路連接霍爾元件的第一端1和第三端3，第一運(yùn)算放大器的輸出OUT2連接霍爾元件的第三端3，第二運(yùn)算放大器的輸入IN-2連接霍爾元件的第二端4，第二運(yùn)算放大器的輸入IN-1連接RC濾波器的反饋端，第二運(yùn)算放大器的輸出OUT1通過RC濾波器連接到電壓輸出端M。

霍爾元件的內(nèi)阻成為同相放大器輸入平衡電阻，消除了霍爾元件輸出電阻的溫漂對放大倍數(shù)的影響。具體實(shí)例中，通過20KΩ的電阻R4和電阻R4R6，20KΩ的VR1，從霍爾元件的供電端引出電壓對傳感器的零點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；RC濾波電路的100Ω的短路保護(hù)電阻R5,位于輸出放大器負(fù)反饋之內(nèi)，避免了在較大負(fù)載時RC濾波電路的電阻上電壓降對輸出幅度的影響。

霍爾元件的輸出電壓的溫度特性幾近線性負(fù)溫度系數(shù)，在-40-+125℃之內(nèi)，其靜態(tài)輸出的平均負(fù)溫度系數(shù)為-0.06％/℃，如圖2所示，用兩個三極管、一個三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片，1KΩ的電阻R2、R3；560Ω的R1、和二極管D1組合成可變線性正溫度系數(shù)的恒流源；對于三極管，在其I_C＝5mA的條件下,其PN結(jié)壓降的線性溫度系數(shù)為-2.4mV/℃；即溫度每升高1℃，PN結(jié)壓降減小2.4mV,此時恒流源的線性正溫度系數(shù)為2.4mV/℃/560Ω＝+4.28uA/℃,霍爾元件的工作電流為IC＝4.46mA+2.5mA＝6.96mA，為補(bǔ)償其靈敏度的負(fù)溫度系數(shù)所需要恒流源的正溫度系數(shù)為7mA×0.06％/℃＝4.20uA/℃，可見霍爾供電的恒流源的線性溫度系數(shù)與霍爾元件輸出電壓的線性溫度系數(shù)幾近相反，參見圖3和表1，實(shí)現(xiàn)了對霍爾元件的輸出進(jìn)行全溫區(qū)線性溫度跟蹤補(bǔ)償。

表1

圖4所示為應(yīng)用到產(chǎn)品的實(shí)測數(shù)據(jù)。使用帶溫補(bǔ)線路的產(chǎn)品零點(diǎn)、幅度的溫漂小于0.5mV/℃，工作溫區(qū)達(dá)到-40～105℃，大大地提高了開環(huán)型霍爾電流傳感器的電流測量精度，在不提高成本的前提下，大大拓寬了開環(huán)型霍爾電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

另外，當(dāng)零點(diǎn)、幅度調(diào)節(jié)電位器改為激光微調(diào)電阻時，小于300A電流傳感器實(shí)現(xiàn)全自動流水生產(chǎn)，大幅度提高產(chǎn)品的可靠性、生產(chǎn)效率。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。