任意偏置电流输出的直流电流传感器电路

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体的说，是一种任意偏置电流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、检测信号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0mA或4mA，即检测电流为零时，传感器输出电流为0mA或4mA；当检测电流为负方向时，传感器输出电流为一个小于基准值(0mA或4mA)的电流值；当检测电流正方向时，传感器输出电流为一个大于基准值(0mA或4mA)的电流值，检测电流与输出电流变化成线性关系。目前市面上常规的霍尔电流传感器的零点输出电流多为0mA或者4mA，而暂无其他基准值输出的产品。但在应用中，其他基准值电流输出的产品确有需求，如30mA基准，即检测电流为零时，传感器输出电流为30mA；当检测电流为负方向时，传感器输出电流为一个小于30mA的电流值；当检测电流正方向时，传感器输出电流为一个大于30mA的电流值，检测电流与输出电流变化成线性关系。现有技术中尚没有一种可以输出任意偏置电流的传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种任意偏置电流输出的直流电流传感器电路，用于解决现有技术中霍尔电流传感器的零点输出基准为0mA或4mA，不能任意输出其他数值的偏置电流的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种任意偏置电流输出的直流电流传感器电路，包括依次连接的精密稳压电路、磁敏检测电路、电压比较及推挽输出电路和偏置电路，其中：

精密稳压电路，用于将输入电压转换成磁敏检测电路的工作电压；

一般传感器的供电电源都不是精准的电压值(如±15V)，而是一个电压范围(如±12V～±15V)，而磁敏检测电路中零磁通时的输出电压为正向供电电压且为供电电压的一半，为保证供电电压在允许范围内变化时，磁敏检测电路的零点输出稳定，需要给磁敏检测电路提供精准的供电电压(如+5V)，因此，需要进行电源稳压。

磁敏检测电路，用于检测开口线圈内的磁场强度并产生信号输出到电压比较及推挽输出电路；

磁敏检测电路主要包括霍尔芯片，当被检测电流为零时，开口线圈内零磁通，霍尔芯片的零点输出电压为基准电压；有被检测电流穿过开口线圈时，开口线圈内的霍尔芯片检测到磁环的磁通变化，将在零点输出电压的基础上输出一个与磁通变化量成正比的电压值，即：

Vout1＝基准电压+K*ΔV

其中，Vout1为霍尔芯片的输出电压，ΔV为霍尔芯片的灵敏度，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。

磁敏检测电路产生的信号，在电压比较及推挽输出电路中经过放大后，驱动电压比较及推挽输出电路中推挽电路中的功率管导通，产生补偿电流，补偿电流在磁场中产生磁感应强度，当补偿电流增加到一定程度时，补偿达到平衡，即产生零点偏置电流。

偏置电路，用于产生偏置电流，所述偏置电流与所述零点偏置电流叠加后作为直流电流传感器的输出。通过改变偏置电路的偏置电流大小，就可以改变直流电流传感器的输出电流大小，达到任意偏置电流输出。

所述偏置电路包括与输入电压连接的原边偏置电流调节电阻，原边偏置电流调节电阻串联防反二极管D2后连接变压器T1的原边绕组的第一端，变压器T1的原边绕组的第二端接地；变压器T1的副边绕组的第一端连接电压比较及推挽输出电路的输出端，变压器T1的副边绕组的第二端作为直流电流传感器的输出端。

所述电压比较及推挽输出电路包括运算放大器、功率管Q1和功率管Q2，运算放大器的正输入端和负输入端分别连接所述磁敏检测电路的两个输出端，运算放大器的电压输入正端通过防反二极管D1连接到电压VCC；运算放大器的输出端通过电阻R11与变压器T1的副边绕组的一端连接，运算放大器的电压输入负端通过防反二极管D3连接直流电流传感器的输出端；功率管Q1和功率管Q2推挽相连，功率管Q1的发射极与功率管Q2的发射极之间串联电阻R12，功率管Q1的集电极与运算放大器的电压输入正端连接，功率管Q2的集电极串联电阻R13后与运算放大器的电压输入负端连接；功率管Q1的基极和功率管Q2的基极连接运算放大器与电阻R11之间的节点。所述运算放大器采用双电源供电轨到轨(rail-to-rail)运算放大器。

运算放大器的供电电压经防反二极管D1后供电，电阻R12和电阻R13为推挽输出电流调节电阻，保证功率管Q1和功率管Q2的输出电流保持均衡，避免功率管电流过大导致损坏。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明能够检测高达数百安培的直流电流信号，解决了数百安的输入电流信号所产生的功耗问题，并隔离输出一个可以任意设置的直流偏置电流且与检测电流成线性关系的电流信号。

(2)本发明电路简单、成本低、体积小。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为SOT89功率管耗散功率示意图；

其中，1-精密稳压电路；2-磁敏检测电路；3-电压比较及推挽输出电路；4-偏置电路；U1B-霍尔芯片；U3-精密稳压电源芯片；U2A-运算放大器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

结合附图1所示，一种任意偏置电流输出的直流电流传感器电路，包括依次连接的精密稳压电路1、磁敏检测电路2、电压比较及推挽输出电路3和偏置电路4，其中：

精密稳压电路1，用于将输入电压转换成磁敏检测电路2的工作电压；一般传感器的供电电源都不是精准的电压值(如±15V)，而是一个电压范围(如±12V～±15V)，而磁敏检测电路2中零磁通时的输出电压为正向供电电压且为供电电压的一半，为保证供电电压在允许范围为变化时，磁敏检测电路2的零点输出稳定，需要为磁敏检测电路2提供精准的供电电压(如+5V)，因此，需要进行电源稳压。

磁敏检测电路2，用于检测开口线圈内的磁场强度并产生信号输出到电压比较及推挽输出电路3；磁敏检测电路2主要包括霍尔芯片(HALL)U1B，霍尔芯片U1B的基准电压为2.5V，当被检测电流为零时，开口线圈内零磁通，霍尔芯片U1B的零点输出电源为2.5V，当有被检测电流穿过开口线圈时，开口线圈内的霍尔芯片U1B检测到磁环的磁通变化，将在零点输出电压的基础上叠加输出一个与磁通变化量成正比的电压值，即：

Vout1＝2.5V+K*ΔV

其中，Vout1为霍尔芯片U1B的输出电压，ΔV为霍尔芯片的灵敏度，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。

磁敏检测电路2产生的信号，在电压比较及推挽输出电路3中经过放大后，驱动电压比较及推挽输出电路3中推挽电路中的功率管导通，产生补偿电流，补偿电流在磁场中产生磁感应强度，当补偿电流增加到一定程度时，补偿达到平衡，即产生零点偏置电流。

偏置电路4，用于产生偏置电流，所述偏置电流与所述零点偏置电流叠加后作为直流电流传感器的输出。通过改变偏置电路4的偏置电流大小，就可以改变直流电流传感器的输出电流大小，达到任意偏置电流输出。

实施例2：

在实施例1的基础上，结合附图2所示，输入电压VCC经防反二极管D1后再经精密稳压电路1稳压后转换为+5V电压给磁敏检测电路2供电，精密稳压电路1由精密稳压电源芯片U3和旁路电容C1、旁路电容C2组成，用于稳定芯片的输入输出电压。磁敏检测电路2包括霍尔芯片U1B和外围电阻，当有被检测电流穿过开口线圈时，开口线圈气隙内的霍尔芯片U1B检测到磁环的磁通量变化，在零点输出电压的基础上叠加一个与磁通变化量成正比的电压值。当磁力线从霍尔芯片U1B的正面垂直穿过时，霍尔芯片U1B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。霍尔芯片为线性输出磁敏芯片，其内部带有可调节的温度补偿功能，最大输出电压被钳位在供电电压的93％，最小输出电压为供电电压的5％。外围电阻(电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R*1、电阻R*2和电阻R*3)的功能为调节放大倍数。

所述电压比较及推挽输出电路3包括运算放大器U2A、功率管Q1和功率管Q2，运算放大器U2A的正输入端和负输入端分别连接所述磁敏检测电路2的两个输出端，运算放大器U2A的电压输入正端通过防反二极管D1连接到输入电压VCC；运算放大器U2A的输出端通过电阻R11与变压器T1的副边绕组的一端连接，运算放大器U2A的电压输入负端通过防反二极管D3连接直流电流传感器的输出端；功率管Q1和功率管Q2推挽相连，功率管Q1的发射极与功率管Q2的发射极之间串联电阻R12，功率管Q1的集电极与运算放大器的电压输入正端连接，功率管Q2的集电极串联电阻R13后与运算放大器的电压输入负端连接；功率管Q1的基极和功率管Q2的基极连接运算放大器与电阻R11之间的节点。所述运算放大器U2A采用双电源供电轨到轨(rail-to-rail)运算放大器。电阻R12和电阻R13为推挽输出电流调节电阻，保证功率管Q1和功率管Q2的输出电流保持均衡，避免功率管电流过大导致损坏。

当被检测电流I

以下为实测举例：

由于最高工作温度为95℃，本发明中的功率管选用SOT89三极管，其耗散功率如图3所示。当环境温度为95℃时，耗散功率略大于0.2W。根据电路参数，可列出推挽电路耗散功率公式为：

P＝I

＝-67I

式中，67为测得的传感器输出电流I

所述偏置电路包括与输入电压连接的原边偏置电流调节电阻，原边偏置电流调节电阻串联防反二极管D2后连接变压器T1的原边绕组的第一端，变压器T1的原边绕组的第二端接地；变压器T1的副边绕组的第一端连接电压比较及推挽输出电路的输出端，变压器T1的副边绕组的第二端作为直流电流传感器的输出端。

正常工作时，±12V～±15V范围内的直流供电电压VCC经精密稳压电路1变换成精确的+5V，以给磁敏检测电路2供电。磁敏检测电路2检测开口线圈内的磁场强度，通过电压比较及推挽输出电路3的功率管放大后产生一个基准的0mA零点偏置电流Io1。+5V电压同时驱动功率管Q1或功率管Q2导通后经偏置电路4产生一个偏置电流Io2，零点偏置电流Io1和偏置电流Io2叠加后，最终实现任意偏置电流输出的直流线性霍尔电流传感器的输出Iout。

将偏置电路接至+5V供电端，串接一个二极管D2，可防止反向通入原边电流时有电流倒灌稳压芯片造成产品损坏，电阻R14、电阻R15、电阻R16为调节原边偏置电流所用电阻。假设原边绕组的输出电流为I

N

其中，N

可以看出，偏置电路能够根据需要，改变线圈原副边匝比，得到任意需要的偏置电流输出。

基于本发明设计的DC200A直流霍尔电流传感器，经检测后线性输出30mA～80mA的直流电流。测试结果如表1所示：

表1DC200A直流霍尔电流传感器的测试结果

由结果可以看出，该霍尔电流传感器零点偏差为0.05mA，额定电流范围内最大偏差为0.05mA，非线性误差小于0.18％。

经过搭建测试电路，下表为输入DC±50A，输出为50mA偏置电流的测试结果如表2所示：

表2 50mA偏置电流输出与输入对照表

综上，该任意偏置电流输出的直流传感器电路在理论与实际测试中均能实现。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明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。