淺談霍爾傳感器的設(shè)計及在電流檢測中的應(yīng)用

時間：2020-06-12作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：378

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

關(guān)鍵詞：電流檢測 ；霍爾傳感器 ；ACS712

 

0 引言 
電流檢測技術(shù)始終都在電力電子設(shè)備性能檢測方面及自動化領(lǐng)域等方面被廣泛的應(yīng)用。一般來說，電流檢測技術(shù)的主要器件即為檢測器件，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)中時是與負載串聯(lián)在一起的，無法采用隔離測量 ；而互感器只能用于工頻 50Hz 的交流測量；霍爾傳感器則結(jié)合了兩者的優(yōu)點，既可以應(yīng)用于電氣隔離測量，又可以用于檢測直流、交流、并且可以檢測到電流的瞬態(tài)峰值。正因為霍爾電流傳感器的上述特點，且兼具精度高、體積小及可靠性高等特點，在電流檢測技術(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)是處于磁場中的載流體受磁感應(yīng)強度的影響，霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)是并存的?；魻栃?yīng)是在 1896 年由德國物理學(xué)家 Edwin H.Hall 在研究金屬的導(dǎo)電性能時發(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)出的弱電信號直接放大輸出。而反饋磁補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來說比較簡單，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。反饋磁補償式霍爾傳感器的電路相對來說比較復(fù)雜，但是測量精度更高，比開環(huán)要提高近一個數(shù)量級，并且其響應(yīng)速度更快，響應(yīng)時間小于 1 微秒，工作的頻帶較寬，從性能方面來講更具備優(yōu)勢。

 

2 電流檢測系統(tǒng)設(shè)計 
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提供的經(jīng)濟實惠且的解決方案。ACS712 具有以下特點 ：①低噪音模擬信號路徑 ；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）；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、開關(guān)電源和電流過流保護等方面。

2.2 硬件設(shè)計 
本文以 ACS712 為例，采用 STM8 微控制器為核心，設(shè)計了一種簡單的負載用電電流檢測的系統(tǒng)。整個系統(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電路組成。顯示電路可采用數(shù)碼管或點陣液晶等來實時顯示檢測到的電流，顯示電路及晶振電路、復(fù)位電路在本文中不做詳細介紹。

圖 1 繼電器電路

圖 1 為繼電器電路，用來控制負載開關(guān)狀態(tài)。此系統(tǒng)在用于家用智能插座時，可使用多個繼電器電路來分別控制不同的負載通斷。需注意根據(jù)霍爾電流傳感器的量程來計算總負載。此繼電器電路采用的驅(qū)動方式是三管驅(qū)動。L 為負載電源火線，通過繼電器控制負載火線的通斷來控制負載的工作狀態(tài)，負載電源零線 N 與供電電源零線直連。微控制器 STM8 輸出高電平時，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 電流檢測電路

ACS712 有三個不同量程的型號，本文選用電流檢測范圍為± 30A 的型號。圖 2 為電流檢測電路，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)。此電路位于整個系統(tǒng)電源的入口端，L-IN 即為電源火線進線端，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）到負載給負載供電。被檢測電流流經(jīng)傳感器內(nèi)部用作電流感測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，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已經(jīng)進行了的編程。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檢測靈敏度，因此用 8 位的 A D 轉(zhuǎn)換在精度上能滿足實際設(shè)計需要。

2.3 軟件設(shè)計 
系統(tǒng)上電初始化后，控制負載的開斷，電流檢測電路檢測流經(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)上述計算公式計算電流值，輸出計算結(jié)果到顯示電路顯示結(jié)果，繼續(xù)檢測電流，將檢測到的數(shù)據(jù)進行實時顯示。當(dāng)微控制器發(fā)出導(dǎo)通信號控制多路負載的繼電器導(dǎo)通時，應(yīng)設(shè)置一個電流限值（此限值不應(yīng)過傳感器的量程），一旦檢測到的電流值過此限值，應(yīng)根據(jù)負載的**級順序關(guān)斷級別低的負載，以使檢測電流值不會過量程，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)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
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
本文簡單的介紹了霍爾電流傳感器 ACS712 在電流檢測中的應(yīng)用?；诨魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用壽命長、使用方便、靈敏度高等優(yōu)點，使得其在電氣測量儀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)備對檢測精度越來越高的要求，對霍爾傳感器技術(shù)的研究也應(yīng)該不斷提高。

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


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