专利名称：一种霍尔直流过流感应开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电流变换领域，特别是一种用作工业现场设备运行状态运程监控或智能控制的霍尔直流过流感应开关。
背景技术：
在电气设备中使用直流电源作为供电电源的情况下，为了使用安全，常常给电气设备供电的直流回路中串接直流过流保护器来对直流电源输出进行过流保护，如采用空气开关、磁断路器、熔丝等直流过流保护器。在某路电流超过设计电流较大(如大于某一预定的阈值)时，该直流过流保护器能够自动断开此回路。最近几年，随着各类直流电流变送器的出现，变送器结合微处理器和直流接触器等构成新型的直流过流保护器。使用直流电流变送器监控某路电路，经过电流转换输出给微处理器，微处理器判断是否大于预先设定的电流阈值，若大于，则发出信号驱动直流接触器动作或发出其他警告信号。这样，以达到保护电网、直流电源系统的目的。因此，要求直流过流保护器能够实时检测、上报直流过流保护器的工作状态给本地或远程用户，以方便对被保护电气设备的管理和维护。然而，这两类直流过流保护器都存在一些问题，主要表现在:I)直接串联在直流回路中的直流过流保护器，均为易损或状态易切换的电路保护单元。如不可恢复熔丝，直流回路一过流，熔丝熔断，需要重新更换熔丝，才能使直流回路继续工作。另外，空气开关和磁断路器容易误动作。2)由直流电流变送器、微处理器、直流接触器等构成的直流过流保护装置，虽然性能良好，实用性较强，但其成本较高，且电流阈值不可调节，这就限制了这个方案的推广。以上两种直流过流保护器，由于存在这些问题，限制了在直流回路(如直流电机过流保护)的应用。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种霍尔直流过流感应开关，根据直流回路中电流的大小，改变固态开关的输出状态，在实现与其他直流过流保护装置同等功能和电流阈值可调节的前提下，减少成本。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种霍尔直流过流感应开关，包括直流电流感应模块、电压比较和跟随电路、信号输出电路，所述直流电流感应模块包括一开口聚磁环和固定在所述开口聚磁环开口上的线性霍尔电路；所述线性霍尔电路、电压比较和跟随电路、信号输出电路依次连接。作为优选方案，所述电压比较和跟随电路采用集成有两个运算放大器的运放芯片，所述两个运算放大器分别用作电压比较器和电压跟随器。作为优选方案，所述信号输出电路包括电源、与所述电源连接的两个指示灯、两个串联的MOS管，第一指示灯通过一个三极管与电源地连接，第二指示灯通过一个二极管与电源地连接，所述电压比较器输出端接到两个MOS管的栅极，所述电压跟随器的输出端接到所述三极管的基极，所述两个MOS管的漏极各连接有一个输出端口。线性霍尔电路感应穿心直流电流的大小，其输出电压随穿心电流变化而线性变化，与预先设定的电流动作阈值进行比较，来改变一个固态开关的输出状态，固态开关由两MOS管组成。在具体的产品实施中，只需要一块二运算放大器集成电路、霍尔电路、开口聚磁环，以及两MOS管等和少量外围元件即可，便于实现。与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为:本实用新型电路结构简单、成本低、温漂小、回差小、精确度高，工作稳定可靠，有LED状态指示灯，电流动作阈值可调。
图1为本实用新型一实施例直流电流感应模块示意图；图2为本实用新型一实施例电压比较和跟随电路、信号输出电路原理图；图3为本实用新型一实施例应用示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型一实施例包括直流电流感应模块、电压比较和跟随电路、信号输出电路，所述直流电流感应模块包括一开口聚磁环I和固定在所述开口聚磁环I开口上的线性霍尔电路2 ;所述线性霍尔电路2、电压比较和跟随电路、信号输出电路依次连接，其中图1中线性霍尔电路2的输出接到图2的中标签为IN线路上。如图1所示，当一条导线流过电流时，在导线的周围会产生磁场。电流为直流时，产生的磁场是稳定不变的磁场。开口聚磁环作用就是，把导线周围某个范围的磁场聚集起来，集中作用于图中的线性霍尔，提高对电流的灵敏度。聚磁环为厚度较薄的硅钢片叠加而成。这里采用的是三脚线性霍尔电路，其中的三个管脚，一个为正电源，一个为负电源，一个为电压输出，其静态输出电压为:(正电压+负电压)/2。参见图2，此部分为霍尔直流过流感应开关(输出为常开)的电路原理图。先对供电电压稳压，给运放和线性霍尔供电。两个运放芯片Ul的一个运放当作电压比较器使用，一个运放当作电压跟随器使用。这样的电路设计可以节省一个MOS管，且隔离指示灯回路与固态开关回路。首先通过可调电位器VRl调节运放Ul的2脚上的电压，线性霍尔输出经过R3接到运放Ul的3脚。当2脚的电压大于3脚的电压时，即穿心电流没达到电流动作阈值时，因Ul的I脚输出低电平，三极管Ql没导通。此时LED指示灯D5亮，D6灭，MOS管Q2、Q3也关断，输出端口 L1、L2不导通。当穿心电流增大，线性霍尔输出电压相应增大。当3脚上的电压大于2脚上的电压时，Ul的I脚由低电平转变为高电平，三极管Ql导通，LED指示灯D5灭，D6亮，MOS管Q2、Q3也导通，输出端口 L1、L2导通。为简化分析与验证本发明的可行性，现对电路中的各种元件的参数进行设计，并做出成品。开口聚磁环的具体规格为外径R:35mm,内径r:25mm,高度:10mm,开口宽度h:2mm,材料:厚度为0.23mm的娃钢片。[0023]线性霍尔，这里采用49E线性霍尔电路，49E霍尔价格便宜、体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高，最大工作电压可为9V。这里为提高49E的灵敏度，给49E的电压为8V，则其静态输出为4V左右。配合开口聚磁环，刚穿心电流每变化50A，则49E的输出电压变化IV，因为49E在8V供电情况下，最大电压输出可达7V左右，刚可测量到的最大穿心电流为150A。为了增大给感应开关的供电电压的范围，这里采用线性稳压芯片LM317，当Rl =220，R2=1.2k时，输出电压为:1.25* (1+R2/R1) = 8.07V，则输入电压可为IOV到30V的直流电压，其中输出的8V电压供电给运放和49E霍尔电路。两运放芯片采用LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合作为电压比较器使用。下面给出了其他主要元件的参数及简要介绍。R4 = 100k，VRl 的量程为 100k，R8 = IOk，R3、R4、R8 取这些阻值，是为了取得在电压比较器的反相输入端最小4V左右，最大到7.5V左右，这也符合49E线性霍尔电线的输出特性。R3 = IOk，R5 = 100k，R6 = IOk，R7 = 200k，其中各电阻的功率为0.25W，误差为0.5%的5环电阻。三极管Ql为2N3904，MOS管Q2、Q3为BSP297，BSP297通态电流可达0.65A，阻断情况下，漏极到源极的电压可达200V，通态电阻只有2Ω。根据这些参数，做成产品，按照图3接线，并实际测量。图3中的主回路即为所要监控的直流回路，包括直流电压源、主回路负载等，主回路线路穿过产品(注意穿过的方向)，直流电压源给霍尔直流过流感应开关供电。负载回路同样包括负载电源和负载，负载可为蜂鸣器、继电器线圈等；负载回路也可以是接入微处理器，一端接微处理器内部电源，另一端接微处理器的I/O 口。当主回路中的电流增大到预先设定的电流动作阈值时，负载回路的两个接线端子(干接点)的输出状态改变。若固态开关为常开结点，则负载开始工作或微处理器的I/o 口为高电平 ；若固态开关为常闭结点，则负载停止运行或微处理器的I/
O口为低电平。霍尔直流过流感应开关可感应到的直流穿心电流可小至0.3A，最大连续工作电流可达150A。最大负载可到0.35A/130V AC/DC，电流回差小于3%(实际测量到的一组值:固态开关正好开通的穿心电流为3A，再减小穿心电流到2.95A时，固态开关关闭；则回差为:(3--2-95)/3 1/7%<2% )。样品的温度特性良好，温漂不超过3%。
权利要求1.一种霍尔直流过流感应开关，包括直流电流感应模块、电压比较和跟随电路、信号输出电路，其特征在于，所述直流电流感应模块包括一开口聚磁环和固定在所述开口聚磁环开口上的线性霍尔电路；所述线性霍尔电路、电压比较和跟随电路、信号输出电路依次连接。
2.根据权利要求1所述的霍尔直流过流感应开关，其特征在于，所述线性霍尔电路为三脚线性霍尔电路。
3.根据权利要求1所述的霍尔直流过流感应开关，其特征在于，所述电压比较和跟随电路采用集成有两个运算放大器的运放芯片，所述两个运算放大器分别用作电压比较器和电压跟随器。
4.根据权利要求3所述的霍尔直流过流感应开关，其特征在于，所述信号输出电路包括电源、与所述电源连接的两个指示灯、两个串联的MOS管，第一指示灯通过一个三极管与电源地连接，第二指示灯通过一个二极管与电源地连接，所述电压比较器输出端接到两个MOS管的栅极，所述电压跟随器的输出端接到所述三极管的基极，所述两个MOS管的漏极各连接有一个输出端口。
专利摘要本实用新型公开了一种霍尔直流过流感应开关，包括直流电流感应模块、电压比较和跟随电路、信号输出电路，所述直流电流感应模块包括一开口聚磁环和固定在所述开口聚磁环开口上的线性霍尔电路；所述线性霍尔电路、电压比较和跟随电路、信号输出电路依次连接。本实用新型电路简单、成本低、温漂小、回差小、精确度高，工作稳定可靠，有LED状态指示灯，电流动作阈值可调。
文档编号H03K17/90GK203039659SQ20132001671
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者帅智康, 彭斌, 沈征, 尹新, 周猛, 黄昊, 熊正斌, 蒋梦轩 申请人:湖南大学