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浅谈霍尔传感器的设计及在电流检测中的应用

2020-06-12

摘要:基于霍尔效应的电流传感器可以提高电流检测精度等特点,本文以传感器 ACS712 为例,简单的分析了霍尔传感器在电
流检测中的应用。
 
关键词:电流检测 ;霍尔传感器 ;ACS712
 
0 引言
电流检测技术始终都在电力电子设备性能检测方面及自动化领域等方面被广泛的应用。一般来说,电流检测技术的主要器件即为检测器件,常用的有阻抗性分流器、互感器及霍尔传感器。其中阻抗性分流器在工作状态中时是与负载串联在一起的,无法采用隔离测量 ;而互感器只能用于工频 50Hz 的交流测量;霍尔传感器则结合了两者的优点,既可以应用于电气隔离测量,又可以用于检测直流、交流、并且可以检测到电流的瞬态峰值。正因为霍尔电流传感器的上述特点,且兼具精度高、体积小及可靠性高等特点,在电流检测技术中得到了快速的发展。本文以霍尔电流传感器 ACS712 为例,研究了霍尔传感器在电流检测中的应用。
 
1 霍尔电流传感器
1.1 霍尔效应
霍尔效应是处于磁场中的载流体受磁感应强度的影响,霍尔效应和磁阻效应是并存的。霍尔效应是在 1896 年由德国物理学家 Edwin H.Hall 在研究金属的导电性能时发现的。
 
1.2 霍尔电流传感器
霍尔电流传感器是基于霍尔效应原理研发出来的一种电流检测传感器。从原理来区分可以分为两种方式 :一种为选频式,另一种为反馈磁补偿式。选频式霍尔电流传感器的工作原理就是能够将霍尔元器件发出的弱电信号直接放大输出。而反馈磁补偿式霍尔电流传感器则是在选频式的原理基础上又增加了零磁通原理。
由上述可看出,选频式霍尔电流传感器的电路相对来说比较简单,并且使用器件较少,功率损耗也低,从降成本方面来说更有优势。反馈磁补偿式霍尔传感器的电路相对来说比较复杂,但是测量精度更高,比开环要提高近一个数量级,并且其响应速度更快,响应时间小于 1 微秒,工作的频带较宽,从性能方面来讲更具备优势。
 
2 电流检测系统设计
2.1 霍尔电流传感器 ACS712
ACS712 是 Allegro 公司为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供的经济实惠且的解决方案。ACS712 具有以下特点 :①低噪音模拟信号路径 ;②可通过新的滤波引脚设置器件带宽 ;③总输出误差为 1.5%(当 TA = 25° C 时);④ 66至 185 mV/A 输出灵敏度 ; ⑤输出电压与交流或直流电流成比例 ;⑥ 80 千赫带宽 ;⑦电源电压的成比例输出。其主要被广泛应用于电气控制、载荷检测、开关电源和电流过流保护等方面。
 
2.2 硬件设计
本文以 ACS712 为例,采用 STM8 微控制器为核心,设计了一种简单的负载用电电流检测的系统。整个系统由微控制器、晶振电路、复位电路、显示电路、继电器电路及电流检测电路组成。显示电路可采用数码管或点阵液晶等来实时显示检测到的电流,显示电路及晶振电路、复位电路在本文中不做详细介绍。
 
图 1 继电器电路
 
图 1 为继电器电路,用来控制负载开关状态。此系统在用于家用智能插座时,可使用多个继电器电路来分别控制不同的负载通断。需注意根据霍尔电流传感器的量程来计算总负载。此继电器电路采用的驱动方式是三极管驱动。L 为负载电源火线,通过继电器控制负载火线的通断来控制负载的工作状态,负载电源零线 N 与供电电源零线直连。微控制器 STM8 输出高电平时,三极管 Q4 导通,电流流经继电器线圈,使继电器 3、4 脚内部开关
吸合,从而使负载电源火线导通开始工作。D2 为续流二极管,根据继电器转换时产生的干扰纹波情况来决定是否在二极管上并联电容。
 
图 2 电流检测电路
 
ACS712 有三个不同量程的型号,本文选用电流检测范围为± 30A 的型号。图 2 为电流检测电路,霍尔电流传感器 ACS712的 VCC 为 5V 供电,在 4.5-5.5V 可承受范围之内。此电路位于整个系统电源的入口端,L-IN 即为电源火线进线端,继电器导通后,火线上电流由 1、2 引脚流经传感器,再由 3、4 引脚流出(L-OUT)到负载给负载供电。被检测电流流经传感器内部用作电流感测通路的主要铜制电流路径,流经铜制电流通路的电流所产生的磁场,能够被片内的霍尔 IC 感应并将其转化为成比例的电压。传感器内部稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔集成电路提供了此处的成比例的输出电压,此集成电路在传感器出厂时已经进行了的编程。ACS712 的±30A 的输出灵敏度约为 66mA,VOUT 的输出范围在 0.5-4.5V 之间,由此可得出量程为4V。传感器将输出电压 VOUT 输出给微控制器STM8 的 AD 采样引脚,采用 8 位转换,则量化单位 Δ=4/256V=15.6mV。该量化值小于 ACS712检测灵敏度,因此用 8 位的 A D 转换在精度上能满足实际设计需要。
 
2.3 软件设计
系统上电初始化后,控制负载的开断,电流检测电路检测流经传感器的电流,输出 VOUT 值到微控制器的 AD 采样引脚,微控制器根据上述计算公式计算电流值,输出计算结果到显示电路显示结果,继续检测电流,将检测到的数据进行实时显示。当微控制器发出导通信号控制多路负载的继电器导通时,应设置一个电流限值(此限值不应超过传感器的量程),一旦检测到的电流值超过此限值,应根据负载的优先级顺序关断级别低的负载,以使检测电流值不会超过量程,并将此结果一并显示出来。
 
3 安科瑞霍尔传感器产品选型
3.1 产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。
3.2产品选型
3.2.1 开口式开环霍尔电流传感器
 
图3
3.2.2闭口式开环霍尔电流传感器
 
图4
3.2.3闭环霍尔电流传感器
 
 
图5
3.2.4直流漏电流传感器
 
图6

4 结束语
本文简单的介绍了霍尔电流传感器 ACS712 在电流检测中的应用。基于霍尔传感器具有结构简单、体积小、使用寿命长、使用方便、灵敏度高等优点,使得其在电气测量仪器仪表等方面得到了广泛的应用。为了能够适应现代电力电子设备对检测精度越来越高的要求,对霍尔传感器技术的研究也应该不断提高。
 
【参考文献】
[1]王香婷 , 苏晓龙 , 基于霍尔传感器的电流检测系统 [J]. 工矿自动化.2008.2 :74-75.
[2]石静波.霍尔传感器在电流检测中的应用
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2019.11版

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