一种高精度闭环型霍尔电流传感器用电子线路的制作方法与工艺

本发明涉及霍尔电流传感器用电子线路领域，尤其涉及一种高精度闭环型霍尔电流传感器用电子线路。

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带气隙的环形磁芯、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，其相关特性如图一、图二所示。国外闭环型霍尔电流传感器电子线路图如图三，宽电源范围闭环型霍尔电流传感器电子线路图如图四，这两种电子线路存在以下问题：1，如图一，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。而在图三、图四中，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。2.两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！在图三中，无偏置的射极跟随器输出结构，使电流传感器的输出电压无法达到轨至轨(railtorail)，影响了电流传感器对电流的线性测量范围及抗饱和能力。3.如图四，从放大器的输出端看，放大器输出直接控制一个无偏置的压控电流源(VCCS)，其压控负载电阻由电流传感器的电源电压直接偏置，压控电流源(VCCS)的输出电流越大其静态功耗越大，压控负载电阻上的功耗越大，因此压控负载电阻必须是大功率电阻。

技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种测量范围大、功耗小、精度高的高精度闭环型霍尔电流传感器用电子线路。本发明的完整技术方案是，一种高精度闭环型霍尔电流传感器用电子线路，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；运算放大器与输出三极管组成压控电流源(VCCS)并带可变电流放大倍数；运算放大器输出端直接驱动或驱动带电平转移的压控负载电阻；对霍尔元件采用恒压工作，对多个霍尔元件的输出电压求算术平均值；所述运算放大器输出端直接驱动或驱动带电平转移的压控负载电阻的大小根据电流传感器的输出电流值的大小变化而选择，压控电流源输出三极管分别选择为0.5W-1W的小功率三极管、3W的中功率三极管、5W的大功率三极管中的一种；所述霍尔元件的偏置电压采用0.6V-2.0V。由上可见，本发明与现在技术相比有如下有益效果：1、本发明的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；运算放大器与三极管组成压控电流源(VCCS)并带可变电流放大倍数，运算放大器输出端直接驱动或驱动带电平转移的压控负载电阻，使霍尔元件的输出电压直接驱动压控电流源(VCCS)，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；传感器对电流的测量位置误差越小、测量精度越高、测量下限越低；生产效率越高，制造成本越低；其零点温漂为30ppm/℃～100ppm/℃；工作温区达到-40～85℃。3、采用发明人申请的另一专利--穿芯式高精度霍尔闭环型霍尔电流传感器用同轴双环路磁芯线圈组件与图九、图十两种电路配合，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。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：图1InSb霍尔元件的不平衡电压的温度特性；图2InSb霍尔元件的输出电压的温度特性；图3国外闭环型霍尔电流传感器电子线路图；图4国外宽电源范围的闭环型霍尔电流传感器电子线路图；图5全PCB安装式电压输出闭环型霍尔电流传感器电子线路框图；图6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7全PCB安装式电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图；图8全PCB安装式电压输出闭环型霍尔电流传感器电路图；图9高精度电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图；图10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。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例：本实施例一种高精度闭环型霍尔电流传感器用电子线路，全PCB安装式电压输出闭环型霍尔电流传感器电子线路框图如图5，从运算放大器BA4580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压控负载电阻、对霍尔元件采用恒压工作、对次级输出电流进行I/V变换，变换成对应的电压输出，具体电路如图8，图中霍尔元件恒压偏置电压Vz采用AZ432-1.25V；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，二极管D1、D2采用串联型肖特基二极管BAT54S,VD＜0.5V,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，调整静态偏置电阻的大小，使输出三极管的Vbe＞0.58V及2mA＜Ic＜10mA，R12＝R13，R15＝R16，R15/R12＝R16/R13为压控电流源(VCCS)的电流放大倍数；双运放BA4580和取样电阻R17实现I/V变换，R18＝R19为双运放电流均分取样及防短路电阻，C4＝C5＝1000PF分别为提高双运放输出端容性负载能力和滤波电容；D3为次级线圈高压释放二极管，对运放输入端进行保护；压控电流源(VCCS)输出三极管为0.5W-1W的小功率三极管。全PCB安装式电流输出闭环型霍尔电流传感器电路图如图7，与图8相比，少了I/V变换器及运算放大器输出端直接驱动负载电阻改为运算放大器输出端驱动带电平移动的负载电阻。图9、图10与图7相比，两只霍尔元件都恒压工作，其输出都采用求算术平均值的信号处理方式，图9中运算放大器输出端驱动带电平移动的负载电阻阻值少一倍，输出三极管为3W中功率三极管，以驱动较大的输出电流；图10中运算放大器输出端驱动带电平移动的负载电阻阻值少二倍，输出三极管为5W大功率三极管，以驱动更大的输出电流，除此之外，为满足宽电源范围要求，从运算放大器电源端取电流信号并加电平转移及对输出三极管进行静态偏置。由上可见，1、本发明的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；运算放大器与三极管组成压控电流源(VCCS)并带可变电流放大倍数，运算放大器输出端直接驱动或驱动带电平转移的压控负载电阻，使霍尔元件的输出电压直接驱动压控电流源(VCCS)，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；传感器对电流的测量位置误差越小、测量精度越高、测量下限越低；生产效率越高，制造成本越低；其零点温漂为30ppm/℃～100ppm/℃；工作温区达到-40～85℃。3、采用发明人申请的另一专利--穿芯式高精度霍尔闭环型霍尔电流传感器用同轴双环路磁芯线圈组件与图九、图十两种电路配合，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。以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。