一种开环型霍尔电流传感器及电路的制作方法

本实用新型涉及电流传感器，特别是一种开环型霍尔电流传感器及电路。

背景技术：

传感器是一种检测装置，能检测到被检设备的相关信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器应用范围非常广泛，为仪器仪表设备提供一种全新的技术支持。霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理研制出的一种对原边电流进行隔离检测的电流检测元件，原边电流产生的磁场由聚磁环所收集，置于聚磁环中的霍尔元件对该磁场进行采集，产生一个与原边磁场等比例的霍尔电压，通过测量该霍尔电压的大小，就可实现对原边电流的隔离检测。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。

现有的霍尔电流传感器有开环和闭环两种。开环型霍尔电流传感器由带气隙的环(方)形磁芯、霍尔元件及放大电路组成，霍尔元件直接检测待测电流在磁芯气隙中产生的磁场强度，其灵敏度适中，温度稳定性是最重要因素，一般选砷化镓材料制作的分子束外延型霍尔元件MG910，分子束外延型霍尔元件因其分子束外延的工艺过程是物理过程，产生不均匀、层错或位错等缺陷的几率要小得多。然而，在磁场不变的情况下，霍尔元件的输出电压随着工作温度递增几近线性递减，这就对电流测量精度造成了影响。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种精确度高、高性能的开环型霍尔电流传感器及具有该电流传感器的电路，提高稳定性，降低温度变化对电流测量精度的不利影响。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种开环型霍尔电流传感器，包括霍尔元件，还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括线性正温度系数恒流源、同相放大器和零点电压调节电路，所述线性正温度系数恒流源的输出端耦合到所述霍尔元件和所述零点电压调节电路，所述同相放大器的输入端耦合到霍尔元件，以利用所述同相放大器将所述霍尔元件的差分输出变换成单端输出，所述零点电压调节电路利用从所述霍尔元件的输入端上引出的电压对所述电流传感器的零点电压进行比例调节，通过所述线性正温度系数恒流源、所述同相放大器所述和所述零点电压调节电路实现所述霍尔元件的温度跟踪补偿。

进一步地：

所述线性正温度系数恒流源包括第一三极管、第二三极管、三端可调稳压器件、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，所述二极管的阳极通过所述第二电阻连接电源正端，所述二极管的阴极连接所述第一三极管的集电极和所述第二三极管的基极，所述第二三极管的发射极通过所述第一电阻连接电源正端，所述第二三极管的集电极、所述第一三极管的基极共同连接所述三端可调稳压器件的输出端，并通过所述第四电阻连接电源正端，所述三端可调稳压器件的输入端通过所述第三电阻连接所述三端可调稳压器件的第三端以及所述第一三极管的发射极，所述霍尔元件的第一通电端连接所述三端可调稳压器件的输入端和所述第三电阻。

所述同相放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述零点电压调节电路包括第一电位器，所述第一运算放大器的第一输入端连接所述霍尔元件的第一输出端，所述第一运算放大器的第二输入端连接所述第一电位器的调节端，所述第一运算放大器的输出端与所述第一电位器的第二端以及所述霍尔元件的第二通电端相连并耦合到电源负端，所述第一电位器的第一端连接所述霍尔元件的第一通电端，所述霍尔元件的第二输出端通过所述第二运算放大器连接电压输出端。

所述第一电位器的第一端通过第五电阻连接所述霍尔元件的第一通电端，所述第一电位器的第二端通过第六电阻连接所述霍尔元件的第二通电端，所述霍尔元件的第二通电端通过第七电阻连接到电源负端，并通过与第七电阻串联的第一电容接地。

还包括RC滤波器；所述第二运算放大器的第二输入端连接所述霍尔元件的第二输出端，所述第二运算放大器的第一输入端连接所述RC滤波器的反馈端，所述第二运算放大器的输出端通过所述RC滤波器连接到电压输出端。

所述RC滤波器包括第二电容、第三电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，所述第二运算放大器的输出端通过第八电阻连接电压输出端，所述第二运算放大器的输出端通过第二电容连接所述第二运算放大器的第一输入端，所述第三电容连接在所述第二运算放大器的第一输入端与所述电压输出端之间，所述第九电阻与所述第十电阻串联在所述第二运算放大器的第一输入端与所述电压输出端之间，所述第二运算放大器的第一输入端通过所述第十一电阻接地。

所述RC滤波器还包括第二电位器，所述第二电位器连接在所述第九电阻与所述第十电阻的连接点与所述电压输出端之间。

还包括连接在所述电压输出端与地之间的第四电容。

还包括位于所述同相放大器的后级输出位置的RC滤波器。

一种电路，包括所述的开环型霍尔电流传感器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了一种精确度高、高性能、更加具有性价比的开环型霍尔电流传感器，该开环型霍尔电流传感器中设置有温度补偿电路，所述温度补偿电路包括线性正温度系数恒流源、同相放大器和零点电压调节电路，利用同相放大器将霍尔元件的差分输出变换成单端输出，所述零点电压调节电路利用从所述霍尔元件的输入端上引出的电压对所述电流传感器的零点电压进行比例调节，通过所述线性正温度系数恒流源、所述同相放大器所述和所述零点电压调节电路实现所述霍尔元件的温度跟踪补偿。本实用新型的开环型霍尔电流传感器将供电的恒流源温度补偿可调整性的优势，结合同相放大器输出与输入端内阻变化无关的特性，提高了产品的稳定性，降低了温度变化对产品零点及幅度输出的影响。

在优选的实施例中，由分立器件组成的零温漂恒流源，其线性温漂曲线与霍尔元件的输出温漂曲线相近，实现了对霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。工作温区达到-40～105℃，大大地提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

本实用新型的开环型霍尔电流传感器生产成本较低，性能很好，且利于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型开环型霍尔电流传感器一种实施例的电路结构图；

图2为本实用新型开环型霍尔电流传感器优选实施例的电路结构图；

图3为恒流源高低温曲线示意图；

图4为本实用新型应用例的实测数据和线性度曲线图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种开环型霍尔电流传感器，包括霍尔元件和温度补偿电路，所述温度补偿电路包括线性正温度系数恒流源、同相放大器和零点电压调节电路，所述线性正温度系数恒流源的输出端耦合到所述霍尔元件和所述零点电压调节电路，所述同相放大器的输入端耦合到霍尔元件，以利用所述同相放大器将所述霍尔元件的差分输出变换成单端输出，所述零点电压调节电路利用从所述霍尔元件的输入端上引出的电压对所述电流传感器的零点电压进行比例调节，通过所述线性正温度系数恒流源、所述同相放大器所述和所述零点电压调节电路实现所述霍尔元件的温度跟踪补偿。

如图2所示，在优选的实施例中，所述线性正温度系数恒流源包括第一三极管Q1A、第二三极管Q1B、三端可调稳压器件IC1、二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R13，所述二极管D1的阳极通过所述第二电阻R2连接电源正端+(VDD)，所述二极管D1的阴极连接所述第一三极管Q1A的集电极和所述第二三极管Q1B的基极，所述第二三极管Q1B的发射极通过所述第一电阻R1连接电源正端+，所述第二三极管Q1B的集电极、所述第一三极管Q1A的基极共同连接所述三端可调稳压器件IC1的输出端，并通过所述第四电阻R13连接电源正端+，所述三端可调稳压器件IC1的输入端通过所述第三电阻R3连接所述三端可调稳压器件IC1的第三端以及所述第一三极管Q1A的发射极，所述霍尔元件hlHl的第一通电端1连接所述三端可调稳压器件IC1的输入端和所述第三电阻R3。

如图2所示，在优选的实施例中，所述同相放大器包括第一运算放大器op1和第二运算放大器op2，所述零点电压调节电路包括第一电位器VR1，所述第一运算放大器op1的第一输入端IN+1连接所述霍尔元件hl的第一输出端2，所述第一运算放大器op1的第二输入端IN+2连接所述第一电位器VR1的调节端，所述第一运算放大器op1的输出端OUT2与所述第一电位器VR1的第二端以及所述霍尔元件hl的第二通电端3相连并耦合到电源负端-(VEE)，所述第一电位器VR1的第一端连接所述霍尔元件hl的第一通电端1，所述霍尔元件hl的第二输出端4通过所述第二运算放大器op2连接到电压输出端M。

如图2所示，在更优选的实施例中，所述第一电位器VR1的第一端通过第五电阻R4连接所述霍尔元件hl的第一通电端1，所述第一电位器VR1的第二端通过第六电阻R6连接所述霍尔元件hl的第二通电端3，所述霍尔元件hl的第二通电端3通过第七电阻R11连接到电源负端-，并通过与第七电阻R11串联的第一电容C6接地GND。

如图2所示，在更优选的实施例中，电流传感器还包括RC滤波器；所述第二运算放大器op2的第二输入端IN-2连接所述霍尔元件hl的第二输出端4，所述第二运算放大器op2的第一输入端IN-1连接所述RC滤波器的反馈端，所述第二运算放大器op2的输出端OUT1通过所述RC滤波器连接到电压输出端M。

如图2所示，在更优选的实施例中，所述RC滤波器包括第二电容C4、第三电容C5、第八电阻R5、第九电阻R7、第十电阻R10、第十一电阻R12，所述第二运算放大器op2的输出端OUT1通过第八电阻R5连接电压输出端M，所述第二运算放大器op2的输出端OUT1通过第二电容C4连接所述第二运算放大器op2的第一输入端IN-1，所述第三电容C5连接在所述第二运算放大器op2的第一输入端IN-1与所述电压输出端M之间，所述第九电阻R7与所述第十电阻R10串联在所述第二运算放大器op2的第一输入端IN-1与所述电压输出端M之间，所述第二运算放大器op2的第一输入端通过所述第十一电阻R12接地G。

如图2所示，所述RC滤波器还包括第二电位器VR2，所述第二电位器VR2连接在所述第九电阻R7与所述第十电阻R10的连接点与所述电压输出端M之间。

如图2所示，所述RC滤波器还包括连接在所述电压输出端M与地GND之间的第四电容C3。

在另一种实施例中，一种电路，其可以具有前述任一项实施例的开环型霍尔电流传感器。

以下结合附图和实例参数进一步阐释本实用新型具体实施例的特征及优点。

本实用新型实施例的开环型霍尔电流传感器中，同相放大器与霍尔元件连接，霍尔元件上连接有一个灵敏度温漂线性温度补偿电路--线性任意可调温度系数恒流源，利用放大器的两个输入端电压相同的特性将霍尔元件的差分输出变换成单端输出，从所述霍尔元件的输入端上引出一个电压对电流传感器零点电压进行比例调节和温度跟踪补偿；RC滤波器的电阻在输出放大器负反馈之内，可以作为输出短路保护，且不受负载变化而变化。

线性正温度系数恒流源包括两个三极管Q1A,Q1B、一个三端可调稳压电路IC1、一个二极管D1。由分立器件组成的零温漂恒流源，其线性温漂曲线与霍尔元件的输出温漂曲线相近，实现了对霍尔元件的灵敏度温漂进行全温区线性温度跟踪补偿。工作温区达到-40～105℃，大大地提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，拓展了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

如图2所示，当输入待测电流时，同相放大器的第一运算放大器将霍尔元件输出的小信号放大，另外第二运算放大器组成同相放大器，霍尔元件的单端输出直接接入同相放大器的输入端。其中第一运算放大器的输入IN+1连接霍尔元件的第二端2，第一运算放大器的输入IN+2通过电压比例调节电路连接霍尔元件的第一端1和第三端3，第一运算放大器的输出OUT2连接霍尔元件的第三端3，第二运算放大器的输入IN-2连接霍尔元件的第二端4，第二运算放大器的输入IN-1连接RC滤波器的反馈端，第二运算放大器的输出OUT1通过RC滤波器连接到电压输出端M。

霍尔元件的内阻成为同相放大器输入平衡电阻，消除了霍尔元件输出电阻的温漂对放大倍数的影响。具体实例中，通过20KΩ的电阻R4和电阻R4R6，20KΩ的VR1，从霍尔元件的供电端引出电压对传感器的零点电压进行调节；RC滤波电路的100Ω的短路保护电阻R5,位于输出放大器负反馈之内，避免了在较大负载时RC滤波电路的电阻上电压降对输出幅度的影响。

霍尔元件的输出电压的温度特性几近线性负温度系数，在-40-+125℃之内，其静态输出的平均负温度系数为-0.06％/℃，如图2所示，用两个三极管、一个三端可调稳压芯片，1KΩ的电阻R2、R3；560Ω的R1、和二极管D1组合成可变线性正温度系数的恒流源；对于三极管，在其I_C＝5mA的条件下,其PN结压降的线性温度系数为-2.4mV/℃；即温度每升高1℃，PN结压降减小2.4mV,此时恒流源的线性正温度系数为2.4mV/℃/560Ω＝+4.28uA/℃,霍尔元件的工作电流为IC＝4.46mA+2.5mA＝6.96mA，为补偿其灵敏度的负温度系数所需要恒流源的正温度系数为7mAx0.06％/℃＝4.20uA/℃，可见霍尔供电的恒流源的线性温度系数与霍尔元件输出电压的线性温度系数几近相反，参见图3和表1，实现了对霍尔元件的输出进行全温区线性温度跟踪补偿。

表1

图4所示为应用到产品的实测数据。使用带温补线路的产品零点、幅度的温漂小于0.5mV/℃，工作温区达到-40～105℃，大大地提高了开环型霍尔电流传感器的电流测量精度，在不提高成本的前提下，大大拓宽了开环型霍尔电流传感器的应用领域。

另外，当零点、幅度调节电位器改为激光微调电阻时，小于300A电流传感器实现全自动流水生产，大幅度提高产品的可靠性、生产效率。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。