有偏置电压输出的直流电流传感器电路的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，具体的说，是有偏置电压输出的直流电流传感器电路。

背景技术：

近年来，霍尔电流传感器产品因其良好的精度及线性度、检测电压与输出信号高度隔离、高可靠性、低功耗、维修更换方便等优点，广泛应用于航空、航天、通信、仪表、冶金及铁路等军品、民品领域。在很多应用中，要求霍尔电流传感器的零点输出为基准的2.5V，即检测电流为零时，传感器输出电压为2.5V；当检测电流为负方向时，传感器输出电压为一个小于2.5V的电压值；当检测电流正方向时，传感器输出电压为一个大于2.5V的电压值，检测电流与输出电压变化成线性关系。目前常规的霍尔元件零点输出电压为供电电压的一半，而很多霍尔电流传感器的供电电压不是精确的固定值，而是一个范围，如4.5V～5.5V等，这样会导致霍尔电流传感器的零点电压输出不稳定，甚至超过规定值。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种有偏置电压输出的直流电流传感器电路，用于解决现有技术中由于霍尔电流传感器的供电电压不是精确的固定值，而是一个范围，导致霍尔电流传感器的零点电压输出不稳定，甚至超过规定值的问题。

本实用新型通过下述技术方案解决上述问题：

一种有偏置电压输出的直流电流传感器电路，包括开环式霍尔电流传感器，所述开环式霍尔电流传感器包括开口磁环，所述开口磁环气隙内设置有磁通检测电路，所述磁通检测电路的电压输入端连接有供电电压模块，所述供电电压模块包括依次连接的升压电路、用于将升压后的电压转换成精准电压的基准稳压电路，所述磁通检测电路的电压输出端连接有电压跟随电路。

进一步地，所述磁通检测电路包括磁敏芯片和运算放大电路，所述磁敏芯片的电压输入端连接所述基准稳压电路的输出端，运算放大电路包括运算放大器，磁敏芯片的电压输出端连接运算放大电路的正向输入端，运算放大器的反正输入端连接分别电阻R3的第一端和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端连接分压电阻后连接基准稳压电路的输出端，电阻R4的第二端连接运算放大器的输出端。

进一步地，所述升压电路包括升压芯片，所述升压芯片的电压输入引脚连接外部供电电压，升压芯片的电压输出引脚连接所述基准稳压电路的输入端。

进一步地，所述基准稳压电路包括精密稳压电源芯片，精密稳压电源芯片采用TL431芯片，所述精密稳压电源芯片的第一端连接电阻R2、电阻R5和电阻R11的第一端，电阻R5和电阻R11与精密稳压电源芯片的第三端连接并接地，电阻R2的第二端与精密稳压电源芯片的第二端连接并通过电阻R9连接所述升压芯片的电压输出引脚，电阻R2的第二端电阻R5的第二端并联有电容C10，精密稳压电源芯片的第二端连接所述磁敏芯片的电压输入端。

进一步地，所述电压跟随电路包括单电源供电轨到轨运算放大器，所述单电源供电轨到轨运算放大器的正向输入端连接所述运算放大器的输出端，单电源供电轨到轨运算放大器的反向输入端与单电源供电轨到轨运算放大器的输出端连接，单电源供电轨到轨运算放大器的电压输入端连接所述外部供电电压。

进一步地，所述电阻R3和/或电阻R4为可调电阻。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型结构简单、成本低、体积小，能够检测高达数百安培的直流电流信号并隔离输出一个有精准2.5V直流偏置电压且与检测电流成线性关系的电压信号。

附图说明

图1为现有技术中开环式霍尔电流传感器的工作原理图；

图2为本实用新型的原理框图；

图3为升压电路的原理图；

图4为精准5V稳压电路的原理图；

图5为磁通检测电路的原理图；

图6为电压跟随电路的原理图；

其中，U1-升压芯片；U2-精密稳压电源芯片；U3-磁敏芯片；U2A-单电源供电轨到轨运算放大器；U4A-运算放大器。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

一种有偏置电压输出的直流电流传感器电路，包括开环式霍尔电流传感器，所述开环式霍尔电流传感器包括开口磁环，所述开口磁环气隙内设置有磁通检测电路，所述磁通检测电路的电压输入端连接有供电电压模块，所述供电电压模块包括依次连接的升压电路、用于将升压后的电压转换成精准电压的基准稳压电路，所述磁通检测电路的电压输出端连接有电压跟随电路。

工作原理：

开环式霍尔电流传感器的工作原理如图1所示，根据安培定律，原边被测电流I1*N1将产生与电流成正比的磁场B1，开口磁环气隙内的磁敏芯片U3直接测量B1的强弱，输出霍尔电压VH，VH经线性放大后输出电压信Uo。当被检测电流为零时，开口磁环内零磁通，磁敏芯片U3的零点输出电压为供电电压的一半，即V+/2；当有被检测电流穿过开口磁环，开口磁环气隙内的霍尔芯片会检测到磁环的磁通变化，将在零点电压的基础上输出一个与磁通变化量成正比的电压值，即：

Vout＝V+/2+K*ΔV (1)

式中，Vout为磁敏芯片U3的输出电压，V+/2为零点输出电压，ΔV为磁敏芯片U3的灵敏度，即单位磁通变化引起的电压变化量，K为通过外围电阻调节的放大倍数。

当磁力线从磁敏芯片U3的正面垂直穿过时，芯片将输出一个正向的变化量电压，即ΔV>0；反之则输出负电压变化量，即ΔV<0。

结合图2所示，本实用新型通过升压电路对在一定范围内变化的低压供电信号即外部供电电压进行升压，然后经过基准稳压电路变化成一个基准的+5V电压以给磁通检测电路供电，从而产生一个基准的2.5V零点偏置电压。磁通检测电路检测开口磁环内的磁场强度并转换成与之成线性关系的电压信号，与基准的2.5V叠加，经过电压跟随电路后输出，即实现有2.5V直流偏置电压输出的直流线性霍尔电流传感器输出。

实施例2：

在实施例1的基础上，结合图5所示，所述磁通检测电路包括磁敏芯片U3和运算放大电路，磁敏芯片U3型号为HW-101A，所述磁敏芯片U3的电压输入端连接所述基准稳压电路的输出端，运算放大电路包括运算放大器U4A，磁敏芯片U3的电压输出端连接运算放大电路的正向输入端，运算放大器U4A的反正输入端连接分别电阻R3的第一端和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端连接分压电阻后连接基准稳压电路的输出端，电阻R4的第二端连接运算放大器U4A的输出端。

磁敏芯片U3为线性输出磁敏芯片，由基准稳压电路输出电压供电，垂直安装于开口磁环气隙内。当被检测电流为零时，开口磁环内零磁通，磁敏芯片U3的零点输出电压为2.5V；当有被检测电流穿过开口磁环，开口磁环气隙内的磁敏芯片U3会检测到磁环的磁通变化，将在零点电压的基础上输出一个与磁通变化量成正比的电压值，即：

Vo＝2.5V+K*ΔV (2)

其中，Vo为磁敏芯片U3的输出电压，2.5V为零点输出电压，ΔV为磁敏芯片U3的灵敏度，即单位磁通变化引起的电压变化量，K为通过外围电阻调节的放大倍数。当磁力线从磁敏芯片的正面垂直穿过时，芯片将输出一个正向的变化量电压，即ΔV>0；反之则输出负电压变化量，即ΔV<0。电阻R3和电阻R4为放大倍数调节电阻。磁敏芯片U3的输出电压与基准2.5V电压进行比较放大即输出Vo1，根据运算放大器U4A的“虚短”、“虚断”原理，可以推算出：

(Vo1-Vo)/R4＝(Vo-2.5V)/R3

即：Vo1＝2.5V+K*ΔV*(R3+R4)/R3，Vo1为由精准2.5V偏置电压输出的且与检测电流成线性关系的输出电压信号。

所述升压电路包括升压芯片U1，升压芯片U1型号为LTC1262，所述升压芯片U1的电压输入引脚连接外部供电电压，升压芯片U1的电压输出引脚连接所述基准稳压电路的输入端。

一般传感器供电电源并不是精确的5.0V，而是一个电压范围，如4.5V～5.5V，而磁敏芯片U3为零磁通时的输出电压为供电电压的一半，为保证供电电压在允许范围内变化时磁敏芯片U3的零点输出稳定，需要为磁敏芯片U3提供一个精准的5V供电电压，即需要将4.5～5.5V供电电压抬高后再变换成精确稳定的5V电压。原理图如图3。升压芯片U1，可以将4.5～5.5V供电电压抬升至12V±5％，最大输出电流50mA，无需电感，外围器件少，具有短路保护及过温保护等功能。

所述基准稳压电路包括精密稳压电源芯片U2，精密稳压电源芯片U2采用TL431芯片，所述精密稳压电源芯片U2的第一端连接电阻R2、电阻R5和电阻R11的第一端，电阻R5和电阻R11与精密稳压电源芯片U2的第三端连接并接地，电阻R2的第二端与精密稳压电源芯片U2的第二端连接并通过电阻R9连接所述升压芯片U1的电压输出引脚，电阻R2的第二端电阻R5的第二端并联有电容C10，精密稳压电源芯片U2的第二端连接所述磁敏芯片U3的电压输入端。

由于磁敏芯片U3的输出电压为供电电压的一半，为了使磁敏芯片U3获得精准的2.5V输出电压，需要为磁敏芯片U3提供精准的5V电压，故使用精密稳压电路将已经抬高的12V电压转换为精准的5V电压，为磁敏芯片U3供电，精密稳压电路原理图如图4。精密稳压电源芯片U2TL431，电阻R9为限流电阻，用于限制后级电路电流。电阻R2、电阻R5、电阻R11为调压电阻，用于调节输出电压为精准的5V，如图5所示。精准的5V可以由分压电阻分压得到精准的2.5V，用于给后级的磁通检测电路供电。

如图6所示，所述电压跟随电路包括单电源供电轨到轨运算放大器U2A，所述单电源供电轨到轨运算放大器U2A的正向输入端连接所述运算放大器U4A的输出端，单电源供电轨到轨运算放大器U2A的反向输入端与单电源供电轨到轨运算放大器U2A的输出端连接，单电源供电轨到轨运算放大器U2A的电压输入端连接所述外部供电电压。

磁敏检测电路的输出电压信号不宜直接作为传感器的输出，为提高带载能力，并避免传感器输出信号外接电阻对输出电压的影响，对磁敏检测电路的输出信号做电压跟随处理，为避免其对+5V基准电压的干扰，其供电电压不选择+5V供电，而选择输入电压V+供电。

进一步地，所述电阻R3和电阻R4为可调电阻。

基于本发明设计的0A～150A直流霍尔电流传感器，经检测后线性输出2.5V～3.5V的直流电压。

测试结果如下表所示：

表1：测试数据表

由结果可以看出，该霍尔电流传感器零点偏差为9mV，额定电流范围内最大偏差为10mV，非线性误差小于0.29％，即精度大于0.29％。

尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。