霍爾傳感器在電流檢測中的應(yīng)用

石靜波

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519070）

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(dòng)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(shí)是與負(fù)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［1］；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?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)，在電流檢測技術(shù)中得到了快速的發(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(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［2］。

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(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(bǔ)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(gè)數(shù)量級，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。

2　電流檢測系統(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提供的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且精確的解決方案。ACS712具有以下特點(diǎn)：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(shí)）；④66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；⑥80 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(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)了一種簡單的負(fù)載用電電流檢測的系統(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)霍爾電流傳感器的最大量程來計(jì)算總負(fù)載。此繼電器電路采用的驅(qū)動(dòng)方式是三極管驅(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)，三極管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)流二極管，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極管上并聯(lián)電容。

圖2　電流檢測電路

ACS712有三個(gè)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(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［3］。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精確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)行了精確的編程。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 的檢測靈敏度，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［4］。

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(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)檢測電流，將檢測到的數(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)超過傳感器的最大量程），一旦檢測到的電流值超過此限值，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的優(yōu)先級順序關(guān)斷級別最低的負(fù)載，以使檢測電流值不會(huì)超過量程，并將此結(jié)果一并顯示出來。

3　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。基于霍爾傳感器具有結(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(diǎn)，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。