霍爾傳感器在電流檢測中的應用

石靜波

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519070）

0　引言

電流檢測技術始終都在電力電子設備性能檢測方面及自動化領域等方面被廣泛的應用。一般來說，電流檢測技術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中時是與負載串聯在一起的，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］；霍爾傳感器則結合了兩者的優點，既可以應用于電氣隔離測量，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，在電流檢測技術中得到了快速的發展。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用。

1　霍爾電流傳感器

1.1　霍爾效應

霍爾效應是處于磁場中的載流體受磁感應強度的影響，霍爾效應和磁阻效應是并存的。霍爾效應是在1896 年由德國物理學家Edwin H.Hall在研究金屬的導電性能時發現的［2］。

1.2　霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器是基于霍爾效應原理研發出來的一種電流檢測傳感器。從原理來區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將霍爾元器件發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勢。反饋磁補償式霍爾傳感器的電路相對來說比較復雜，但是測量精度更高，比開環要提高近一個數量級，并且其響應速度更快，響應時間小于1 微秒，工作的頻帶較寬，從性能方面來講更具備優勢。

2　電流檢測系統設計

2.1　霍爾電流傳感器ACS712

ACS712是Allegro公司為工業、商業和通信系統中的交流或直流電流感測提供的經濟實惠且精確的解決方案。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置器件帶寬；③總輸出誤差為 1.5%（當 TA = 25°C時）；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。其主要被廣泛應用于電氣控制、載荷檢測、開關電源和電流過流保護等方面。

2.2　硬件設計

本文以ACS712為例，采用STM8微控制器為核心，設計了一種簡單的負載用電電流檢測的系統。整個系統由微控制器、晶振電路、復位電路、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，用來控制負載開關狀態。此系統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。需注意根據霍爾電流傳感器的最大量程來計算總負載。此繼電器電路采用的驅動方式是三極管驅動。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，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，三極管Q4導通，電流流經繼電器線圈，使繼電器3、4腳內部開關吸合，從而使負載電源火線導通開始工作。D2為續流二極管，根據繼電器轉換時產生的干擾紋波情況來決定是否在二極管上并聯電容。

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。此電路位于整個系統電源的入口端，L-IN即為電源火線進線端，繼電器導通后，火線上電流由1、2引腳流經傳感器，再由3、4引腳流出（L-OUT）到負載給負載供電。被檢測電流流經傳感器內部用作電流感測通路的主要銅制電流路徑，流經銅制電流通路的電流所產生的磁場，能夠被片內的霍爾IC 感應并將其轉化為成比例的電壓［3］。傳感器內部穩定斬波型低偏置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已經進行了精確的編程。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 轉換在精度上能滿足實際設計需要［4］。

2.3　軟件設計

系統上電初始化后，控制負載的開斷，電流檢測電路檢測流經傳感器的電流，輸出VOUT值到微控制器的AD采樣引腳，微控制器根據上述計算公式計算電流值，輸出計算結果到顯示電路顯示結果，繼續檢測電流，將檢測到的數據進行實時顯示。當微控制器發出導通信號控制多路負載的繼電器導通時，應設置一個電流限值（此限值不應超過傳感器的最大量程），一旦檢測到的電流值超過此限值，應根據負載的優先級順序關斷級別最低的負載，以使檢測電流值不會超過量程，并將此結果一并顯示出來。

3　結束語

本文簡單的介紹了霍爾電流傳感器ACS712在電流檢測中的應用。基于霍爾傳感器具有結構簡單、體積小、使用壽命長、使用方便、靈敏度高等優點，使得其在電氣測量儀器儀表等方面得到了廣泛的應用。為了能夠適應現代電力電子設備對檢測精度越來越高的要求，對霍爾傳感器技術的研究也應該不斷提高。