一种可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路
阅读说明：本技术 一种可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路 (double-Hall sensor conditioning circuit capable of detecting bidirectional current ) 是由 韦清瀚 周文亮 张井超 武建文 陈儒盎 贾博文 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路,通过开环式霍尔传感器将接触器电流产生的磁场转化为电压信号并使用两组正反双路放大电路放大电压信号以完成检测正反电流的目的。本发明采用对称分布双霍尔元件连接两组正反双路放大电路消除磁场干扰,并利用该电路由电源供电电路,电压放大电路,补偿恒流源电路和霍尔元件等构成的系统温漂的温度采集电路,防短路保护电路组成,通过精确的计算和合理计算可测的最大电流量程可达到±3000A,为霍尔传感器的电流检测提供了新的思路。(The invention discloses a double-Hall sensor conditioning circuit capable of detecting bidirectional current, which converts a magnetic field generated by the current of a contactor into a voltage signal through an open-loop Hall sensor and amplifies the voltage signal by using two groups of positive and negative two-way amplifying circuits so as to fulfill the aim of detecting the positive and negative currents. The invention adopts symmetrically distributed double Hall elements to connect two groups of positive and negative double-path amplifying circuits to eliminate magnetic field interference, and utilizes the temperature acquisition circuit of the system temperature drift formed by a power supply circuit, a voltage amplifying circuit, a compensation constant current source circuit, Hall elements and the like, and an anti-short circuit protection circuit, the measurable maximum current range can reach +/-3000A through accurate calculation and reasonable calculation, and a new idea is provided for the current detection of the Hall sensor.)
技术领域
本发明涉及一种可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路，具体涉及一种可以检测接触器正向反向瞬态3000A大电流的对称分布开环霍尔元件传感器调理电路，尤其适用于通入电流范围较大的接触器和有一定体积要求的检测场所。
背景技术
以开环霍尔传感器主导的大电流检测原理是将原边电流所产生的磁通量集中于磁回路中，再通过霍尔元件将这部分磁通转化为电压信号从而进行测量，其较闭环式霍尔电流传感器(磁平衡式霍尔电流传感器)有着封装体积小，重量轻，低电源能耗等优点。但霍尔元件常常存在温度漂移大的问题，在检测过程中由于接触器本身结构(永磁体，以及双接线柱)以及接线时复杂的导线系统将引入外来磁场带来干扰也会极大的影响检测电流值的准确度，同时电路中所采用的运算放大器有线性区和饱和区两个区段，如果检测时运算放大器未能及时进入线性区将降低动态响应速度，同时也会为检测结果带来误差。
因此要保障小体积低能耗高响应速度的条件下，发明一种同时通过电路结构解决外来磁场干扰，解决温度漂移大的开环式可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路是亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种开环式可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路，具有能够检测接触器正向反向瞬态3000A大电流，体积小，低能耗，响应速度快，温度漂移小，解决外来磁场干扰等特点。
一种可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路，包括可控精密稳压源TL-431、两组霍尔元件、两个比例放大电路、12V直流电源以及四个OP295芯片U1～U4，每个OP295芯片集成两个运算放大器。
所述TL-431的1号管脚、2号管脚与1KΩ电阻R7的2号管脚连接，R7的1号管脚连接12V直流电源，TL-431的3管脚接地，且在TL-431的2号管脚和3号管脚间并联0.1μF的电容。
TL-431的1号管脚经分压为2.5V为三条支路供电，其中两条支路为相互对称的霍尔元件A与霍尔元件B的供电支路，分别经由电阻R19、R26以及U3、U4的3号管脚接入芯片U3、U4中。
U1、U2、U3与U4的4号管脚接地；U1、U2、U3与U4的8号管脚接入12V直流电源正极为芯片供电；U3的8号管脚与地之间连接电容,U4的8号管脚与地之间连接电容；U3与U4的2号管脚分别经由电阻R18、R25接地；同时U3的2号管脚与U4的2号管脚分别与霍尔元件A和霍尔元件B的输入负端相接；U3的1号管脚与U4的1号管脚分别与霍尔元件A和霍尔元件B的供电正端相接。
经TL-431分压后的另一条支路中，2.5V电压经U4完成0.1V抬地电压的生成。
U1与U2中的各运算放大器的5，6，7号管脚接入放大电路进行电压信号的放大，且各个放大电路的输出端接入电阻，防止负载误接而造成短路。
本发明中还设计有温度采集电路，过软件补偿恒流源电路和霍尔元件等构成的系统温漂。
本发明的优点在于：
1、本发明双霍尔传感器调理电路，采用12V单电源进行供电，其中包括OP295芯片的供电，经过TL-431芯片稳压至2.5V再经过两个OP295芯片精密分压后为霍尔元件供电以及2.5V电压经过OP295芯片后得到的抬地电压0.1V以提高动态响应。
2、本发明双霍尔传感器调理电路，霍尔元件对称分布，以达到消除外来磁场干扰的作用。
3、本发明双霍尔传感器调理电路，经TL-431以及其他稳压芯片稳压得到的2.5V，但不限于2.5V。电压还将为温度检测支路进行供电，其中采用铂电阻进行温度采集，以补偿恒流源电路和霍尔元件等构成的系统温漂，降低温度对电流检测的影响。
4、本发明双霍尔传感器调理电路比例放大电路输出端接入电阻阻值为1KΩ，防止误接负载造成短路，损坏电路。
附图说明
图1为本发明可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路原理图。
图2为本发明可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路中双霍尔元件分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路，如图1所示，包括可控精密稳压源TL-431、两组霍尔元件、两个比例放大电路、12V直流电源、9个电容C5～C13、27个电阻R7～R33以及四个OP295芯片；其中，R12，R32,R33采用千分之一的精密电阻；每个OP295芯片集成两个运算放大器，且每个OP295芯片封装为SO-8，即贴片式8管脚。令4个OP295芯片分别为U1,U2,U3以及U4，则芯片U1包含运算放大器U1A、U1B，芯片U2包含运算放大器U2A、U2B，芯片U3包含运算放大器U3A与U3B，芯片U4包含运算放大器U4A与U4B；且本发明中U3B在实际连接时未使用，其各管脚空置即可。
上述TL-431的1号管脚、2号管脚与1KΩ电阻R7的2号管脚连接，R7的1号管脚连接12V直流电源，TL-431的3管脚接地，且在TL-431的2号管脚和3号管脚间并联0.1μF的电容C7。
TL-431的1号管脚经分压为2.5V为三条支路供电，其中两条支路为霍尔元件A与霍尔元件B的供电支路，分别经由阻值1K的电阻R19、R26以及U3A、U4A的3号管脚接入芯片U3、U4中。如图2所示，为在检测电流磁场和干扰磁场共同作用下，对称式双霍尔元件分布特点，其中霍尔元件A位于0°，霍尔元件B位于180°。
U1A、U2A、U3A与U4A的4号管脚接地；U1A、U2A、U3A与U4A的8号管脚接入12V直流电源正极为芯片供电，使芯片U1、U2、U3与U4工作；另外U3A的8号管脚与地之间连接一个0.1μF的电容C9,U4A的8号管脚与地之间连接一个0.1μF的电容C12。U3A与U4A的2管脚分别经由一个270Ω的电阻R18、R25接地。同时U3A的2号管脚与U4A的2号管脚分别与霍尔元件A的输入负端V1-和霍尔元件B的输入负端V2-相接；U3A的1号管脚与U4A的1号管脚分别与霍尔元件A的供电正端V1+和霍尔元件B的供电正端V2+相接。由此在U3A、U4A的1,2,3号管脚接入电路后，由12V直流电源为霍尔元件A与霍尔元件B提供输入电压。
经TL-431分压后的另一条支路中，2.5V电压经U4B完成0.1V抬地电压的生成。U4B作为射随器，制造一个0.1v的小电压完成0.1V抬地电压的生成。其中，2.5V电压先经由阻值为24KΩ的电阻R32接入U4B的5号管脚，并经由阻值1K的电阻R33接地，经两电阻R32与R33分压可得到5管脚电压为0.1V，线性工作时将U4B的6号管脚与输出的7号管脚连接得到输出的抬地电压为0.1V。
U1A、U1B、U2A与U2B的5，6，7号管脚接入放大电路进行电压信号的放大。放大电路为正反双向，正反双向电路结构无差别，区别在于霍尔元件输出管脚U+与U-的电压高低。U+大于U-则为正向，反之为反向。
其中，U1A的2号管脚和3号管脚分别通过1KΩ电阻R8和1KΩ电阻R10与霍尔元件A的输出正端U1+和输出负端U1-相连；U1A的1号管脚与2号管脚间接入电阻R6,阻值为3K。上述放大电路正极性端U1A的3号管脚与U4B的7号管脚间接入电阻R11,阻值为3K，将抬地电压0.1V(U4B的7号管脚电压)引入放大电路。输出端接入阻值大小为1KΩ的电阻R9，防止负载误接而造成短路。
U2A的2号管脚和3号管脚分别通过1KΩ电阻R21和1KΩ的电阻R23与霍尔元件B的输出正端U2+和输出负端U2-相连。U2A的1号管脚与2号管脚间接入电阻R20,阻值为3K。上述放大电路正极性端U2A的3号管脚与U4B的7号管脚间接入电阻R24，阻值为3K，将抬地电压0.1V(U4B的7号管脚电压)引入放大电路。输出端接入阻值大小为1KΩ的电阻R22，防止负载误接而造成短路。
U1B通过6号管脚与霍尔元件A的输出正端U1+相接，且之间接入1K电阻R14；6号管脚与7号管脚之间接入3K电阻R13，5号管脚和霍尔元件A的输出负端U1-相接，且之间接入1K电阻R16。上述放大电路正极性端U1B的5号管脚接入抬地电压，且与U4B的7号管脚间接入3K电阻R17，将抬地电压0.1V(U4B的7号管脚电压)引入放大电路，完成放大功能；放大电路的输出端接入阻值大小为1KΩ的电阻R15，防止负载误接而造成短路。
U2B通过6号管脚与霍尔元件B的输出正端U1+相接，且之间接入1K电阻R28；6号管脚与7号管脚之间接入3K电阻R27，5号管脚和霍尔元件B的输出负端U1-相接，且之间接入1K电阻R30。上述放大电路正极性端U2B的5号管脚接入抬地电压，且与U4B的7号管脚间接入3K电阻R31，将抬地电压0.1V(U4B的7号管脚电压)引入放大电路，完成放大功能；放大电路的输出端接入阻值大小为1KΩ的电阻R29，防止负载误接而造成短路。
通过上述设计，在每个霍尔元件所属的两个比例放大电路中即R11,R17,R24,R31的2管脚电压值抬升至0.1V，使得运算放大器工作在线性区而非饱和区以提高电路的动态响应。
本发明中设计放大电路放大倍数为3倍，则接入的电阻R6,R11,R13,R17,R20,R24,R27,R31阻值相同为3KΩ，且必须为1KΩ电阻的R8,R10,R14,R16,R21,R23,R28,R30阻值的三倍，以保证放大电路中的放大系数为三倍，但不限于3倍。由此将霍尔元件感应的磁场信号转化为的微弱电信号进行放大获得可测的电压信号，以达到测量接触器电流的功能。若想改变放大倍数，更改电阻R6,R11,R13,R17,R20,R24,R27,R31为R8,R10,R14,R16,R21,R23,R28，R30的n倍，则放大倍数为n倍，且R8以及R10阻值最好为KΩ级别。但是若想实现本发明的双霍尔元件抵消外来磁场干扰的目的，必须保证四条放大电路放大倍数相同。以U1A所在放大电路举例说明：在放大倍数为3倍下，①R8＝R10，②R6＝R11，若想改变放大倍数，可以维持关系①不变，更改关系②，若R6＝R11＝n×R8＝n×R10，则放大倍数为n倍。
本发明中还设计有温度采集电路，过软件补偿恒流源电路和霍尔元件等构成的系统温漂。温度采集电路由一个1k电阻R12与一个铂电阻PT1000串联之后接地组成，12v直流电源电压经由TL431芯片稳压后，1K电阻R12左端为2.5V。在R12与铂电阻连接处引出一个电压输出端，铂电阻右端接地，当实验环境温度变化时，铂电阻阻值发生变化，引起铂电阻在温度采集电路中的分压变化，采集输出即可反推出铂电阻此时阻值，并根据铂电阻随温度变化关系反推出实验环境温度。
本发明可检测双向电流的双霍尔传感器调理电路，采用双霍尔元件检测正反向电流，每个霍尔元件分别输出正负两个信号反映检测电流大小，共计2组，4个信号，当通入为正向电流时，每个霍尔元件正极性电位较负极性电位高，每个霍尔元件接入两个独立的正反向电流检测比例放大电路且放大倍数均为三倍，即正向电流检测电路输出被运算放大器将霍尔元件输出电压差放大三倍，并受零点偏置的影响而稍高于三倍的电压差，负向检测电流电路输出由于单电源供电，负向检测电流电路输出将会被运算放大器钳制在0V又受零点偏置(U4B的7号管脚的输出电压值)影响最终将稍高于0V而不是同正向检测电流电路一样被放大三倍。当通入负向电流时，过程与上述情况相反。根据4个输出的大小从而检测出电流的大小和方向。且本发明利用在PCB板上对称分布的双霍尔元件分别感应出正反四组电压信号，每两个正向信号叠加，每两个负向信号叠加，可以消除不对中磁场的干扰，当有一个霍尔元件损坏时，亦可起到冗余备份的作用。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高抗干扰霍尔传感器