淺談霍爾傳感器的設(shè)計(jì)及在電流檢測(cè)中的應(yīng)用

時(shí)間：2020-06-12作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：376

摘要：基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器可以提高電流檢測(cè)精度等特點(diǎn)，本文以傳感器 ACS712 為例，簡(jiǎn)單的分析了霍爾傳感器在電 
流檢測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電流檢測(cè) ；霍爾傳感器 ；ACS712

 

0 引言 
電流檢測(cè)技術(shù)始終都在電力電子設(shè)備性能檢測(cè)方面及自動(dòng)化領(lǐng)域等方面被廣泛的應(yīng)用。一般來說，電流檢測(cè)技術(shù)的主要器件即為檢測(cè)器件，常用的有阻抗性分流器、互感器及霍爾傳感器。其中阻抗性分流器在工作狀態(tài)中時(shí)是與負(fù)載串聯(lián)在一起的，無法采用隔離測(cè)量 ；而互感器只能用于工頻 50Hz 的交流測(cè)量；霍爾傳感器則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既可以應(yīng)用于電氣隔離測(cè)量，又可以用于檢測(cè)直流、交流、并且可以檢測(cè)到電流的瞬態(tài)峰值。正因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅鞯纳鲜鎏攸c(diǎn)，且兼具精度高、體積小及可靠性高等特點(diǎn)，在電流檢測(cè)技術(shù)中得到了的發(fā)展。本文以霍爾電流傳感器 ACS712 為例，研究了霍爾傳感器在電流檢測(cè)中的應(yīng)用。

 

1 霍爾電流傳感器 
1.1 霍爾效應(yīng) 
霍爾效應(yīng)是處于磁場(chǎng)中的載流體受磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)是并存的。霍爾效應(yīng)是在 1896 年由德國(guó)物理學(xué)家 Edwin H.Hall 在研究金屬的導(dǎo)電性能時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

1.2 霍爾電流傳感器 
霍爾電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理研發(fā)出來的一種電流檢測(cè)傳感器。從原理來區(qū)分可以分為兩種方式 ：一種為選頻式，另一種為反饋磁補(bǔ)償式。選頻式霍爾電流傳感器的工作原理就是能夠?qū)⒒魻栐骷l(fā)出的弱電信號(hào)直接放大輸出。而反饋磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器則是在選頻式的原理基礎(chǔ)上又增加了零磁通原理。 
由上述可看出，選頻式霍爾電流傳感器的電路相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，并且使用器件較少，功率損耗也低，從降成本方面來說更有優(yōu)勢(shì)。反饋磁補(bǔ)償式霍爾傳感器的電路相對(duì)來說比較復(fù)雜，但是測(cè)量精度更高，比開環(huán)要提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且其響應(yīng)速度更快，響應(yīng)時(shí)間小于 1 微秒，工作的頻帶較寬，從性能方面來講更具備優(yōu)勢(shì)。

 

2 電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 
2.1 霍爾電流傳感器 ACS712 
ACS712 是 Allegro 公司為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測(cè)提供的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且的解決方案。ACS712 具有以下特點(diǎn) ：①低噪音模擬信號(hào)路徑 ；②可通過新的濾波引腳設(shè)置器件帶寬 ；③總輸出誤差為 1.5%（當(dāng) TA = 25° C 時(shí)）；④ 66至 185 mV/A 輸出靈敏度 ； ⑤輸出電壓與交流或直流電流成比例 ；⑥ 80 千赫帶寬 ；⑦電源電壓的成比例輸出。其主要被廣泛應(yīng)用于電氣控制、載荷檢測(cè)、開關(guān)電源和電流過流保護(hù)等方面。

2.2 硬件設(shè)計(jì) 
本文以 ACS712 為例，采用 STM8 微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的負(fù)載用電電流檢測(cè)的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由微控制器、晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路、繼電器電路及電流檢測(cè)電路組成。顯示電路可采用數(shù)碼管或點(diǎn)陣液晶等來實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的電流，顯示電路及晶振電路、復(fù)位電路在本文中不做詳細(xì)介紹。

圖 1 繼電器電路

圖 1 為繼電器電路，用來控制負(fù)載開關(guān)狀態(tài)。此系統(tǒng)在用于家用智能插座時(shí)，可使用多個(gè)繼電器電路來分別控制不同的負(fù)載通斷。需注意根據(jù)霍爾電流傳感器的量程來計(jì)算總負(fù)載。此繼電器電路采用的驅(qū)動(dòng)方式是三管驅(qū)動(dòng)。L 為負(fù)載電源火線，通過繼電器控制負(fù)載火線的通斷來控制負(fù)載的工作狀態(tài)，負(fù)載電源零線 N 與供電電源零線直連。微控制器 STM8 輸出高電平時(shí)，三管 Q4 導(dǎo)通，電流流經(jīng)繼電器線圈，使繼電器 3、4 腳內(nèi)部開關(guān) 
吸合，從而使負(fù)載電源火線導(dǎo)通開始工作。D2 為續(xù)流二管，根據(jù)繼電器轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的干擾紋波情況來決定是否在二管上并聯(lián)電容。

圖 2 電流檢測(cè)電路

ACS712 有三個(gè)不同量程的型號(hào)，本文選用電流檢測(cè)范圍為± 30A 的型號(hào)。圖 2 為電流檢測(cè)電路，霍爾電流傳感器 ACS712的 VCC 為 5V 供電，在 4.5-5.5V 可承受范圍之內(nèi)。此電路位于整個(gè)系統(tǒng)電源的入口端，L-IN 即為電源火線進(jìn)線端，繼電器導(dǎo)通后，火線上電流由 1、2 引腳流經(jīng)傳感器，再由 3、4 引腳流出（L-OUT）到負(fù)載給負(fù)載供電。被檢測(cè)電流流經(jīng)傳感器內(nèi)部用作電流感測(cè)通路的主要銅制電流路徑，流經(jīng)銅制電流通路的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，能夠被片內(nèi)的霍爾 IC 感應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為成比例的電壓。傳感器內(nèi)部穩(wěn)定斬波型低偏置 BiCMOS 霍爾集成電路提供了此處的成比例的輸出電壓，此集成電路在傳感器出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了的編程。ACS712 的±30A 的輸出靈敏度約為 66mA，VOUT 的輸出范圍在 0.5-4.5V 之間，由此可得出量程為4V。傳感器將輸出電壓 VOUT 輸出給微控制器STM8 的 AD 采樣引腳，采用 8 位轉(zhuǎn)換，則量化單位 Δ=4/256V=15.6mV。該量化值小于 ACS712檢測(cè)靈敏度，因此用 8 位的 A D 轉(zhuǎn)換在精度上能滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需要。

2.3 軟件設(shè)計(jì) 
系統(tǒng)上電初始化后，控制負(fù)載的開斷，電流檢測(cè)電路檢測(cè)流經(jīng)傳感器的電流，輸出 VOUT 值到微控制器的 AD 采樣引腳，微控制器根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算電流值，輸出計(jì)算結(jié)果到顯示電路顯示結(jié)果，繼續(xù)檢測(cè)電流，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)微控制器發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)控制多路負(fù)載的繼電器導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)設(shè)置一個(gè)電流限值（此限值不應(yīng)過傳感器的量程），一旦檢測(cè)到的電流值過此限值，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的**級(jí)順序關(guān)斷級(jí)別低的負(fù)載，以使檢測(cè)電流值不會(huì)過量程，并將此結(jié)果一并顯示出來。

 

3 安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
3.1 產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
3.2產(chǎn)品選型
3.2.1 開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

圖3


3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

圖4

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

圖5

3.2.4直流漏電流傳感器

圖6

4 結(jié)束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)單的介紹了霍爾電流傳感器 ACS712 在電流檢測(cè)中的應(yīng)用?；诨魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用壽命長(zhǎng)、使用方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，使得其在電氣測(cè)量?jī)x器儀表等方面得到了廣泛的應(yīng)用。為了能夠適應(yīng)現(xiàn)代電力電子設(shè)備對(duì)檢測(cè)精度越來越高的要求，對(duì)霍爾傳感器技術(shù)的研究也應(yīng)該不斷提高。

【參考文獻(xiàn)】
[1]王香婷 , 蘇曉龍 , 基于霍爾傳感器的電流檢測(cè)系統(tǒng) [J]. 工礦自動(dòng)化.2008.2 ：74-75.
[2]石靜波.霍爾傳感器在電流檢測(cè)中的應(yīng)用
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2019.11版


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