霍尔传感器在电流检测中的应用

石静波

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519070）

0　引言

电流检测技术始终都在电力电子设备性能检测方面及自动化领域等方面被广泛的应用。一般来说，电流检测技术的主要器件即为检测器件，常用的有阻抗性分流器、互感器及霍尔传感器。其中阻抗性分流器在工作状态中时是与负载串联在一起的，无法采用隔离测量；而互感器只能用于工频50Hz的交流测量［1］；霍尔传感器则结合了两者的优点，既可以应用于电气隔离测量，又可以用于检测直流、交流、并且可以检测到电流的瞬态峰值。正因为霍尔电流传感器的上述特点，且兼具精度高、体积小及可靠性高等特点，在电流检测技术中得到了快速的发展。本文以霍尔电流传感器ACS712为例，研究了霍尔传感器在电流检测中的应用。

1　霍尔电流传感器

1.1　霍尔效应

霍尔效应是处于磁场中的载流体受磁感应强度的影响，霍尔效应和磁阻效应是并存的。霍尔效应是在1896 年由德国物理学家Edwin H.Hall在研究金属的导电性能时发现的［2］。

1.2　霍尔电流传感器

霍尔电流传感器是基于霍尔效应原理研发出来的一种电流检测传感器。从原理来区分可以分为两种方式：一种为选频式，另一种为反馈磁补偿式。选频式霍尔电流传感器的工作原理就是能够将霍尔元器件发出的弱电信号直接放大输出。而反馈磁补偿式霍尔电流传感器则是在选频式的原理基础上又增加了零磁通原理。

由上述可看出，选频式霍尔电流传感器的电路相对来说比较简单，并且使用器件较少，功率损耗也低，从降成本方面来说更有优势。反馈磁补偿式霍尔传感器的电路相对来说比较复杂，但是测量精度更高，比开环要提高近一个数量级，并且其响应速度更快，响应时间小于1 微秒，工作的频带较宽，从性能方面来讲更具备优势。

2　电流检测系统设计

2.1　霍尔电流传感器ACS712

ACS712是Allegro公司为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供的经济实惠且精确的解决方案。ACS712具有以下特点：①低噪音模拟信号路径；②可通过新的滤波引脚设置器件带宽；③总输出误差为 1.5%（当 TA = 25°C时）；④66至 185 mV/A 输出灵敏度； ⑤输出电压与交流或直流电流成比例；⑥80 千赫带宽；⑦电源电压的成比例输出。其主要被广泛应用于电气控制、载荷检测、开关电源和电流过流保护等方面。

2.2　硬件设计

本文以ACS712为例，采用STM8微控制器为核心，设计了一种简单的负载用电电流检测的系统。整个系统由微控制器、晶振电路、复位电路、显示电路、继电器电路及电流检测电路组成。显示电路可采用数码管或点阵液晶等来实时显示检测到的电流，显示电路及晶振电路、复位电路在本文中不做详细介绍。

图1　继电器电路

图1为继电器电路，用来控制负载开关状态。此系统在用于家用智能插座时，可使用多个继电器电路来分别控制不同的负载通断。需注意根据霍尔电流传感器的最大量程来计算总负载。此继电器电路采用的驱动方式是三极管驱动。L为负载电源火线，通过继电器控制负载火线的通断来控制负载的工作状态，负载电源零线N与供电电源零线直连。微控制器STM8输出高电平时，三极管Q4导通，电流流经继电器线圈，使继电器3、4脚内部开关吸合，从而使负载电源火线导通开始工作。D2为续流二极管，根据继电器转换时产生的干扰纹波情况来决定是否在二极管上并联电容。

图2　电流检测电路

ACS712有三个不同量程的型号，本文选用电流检测范围为± 30A的型号。图2为电流检测电路，霍尔电流传感器ACS712的VCC为5V供电，在4.5-5.5V可承受范围之内。此电路位于整个系统电源的入口端，L-IN即为电源火线进线端，继电器导通后，火线上电流由1、2引脚流经传感器，再由3、4引脚流出（L-OUT）到负载给负载供电。被检测电流流经传感器内部用作电流感测通路的主要铜制电流路径，流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC 感应并将其转化为成比例的电压［3］。传感器内部稳定斩波型低偏置BiCMOS 霍尔集成电路提供了此处精确的成比例的输出电压，此集成电路在传感器出厂时已经进行了精确的编程。ACS712的± 30A的输出灵敏度约为66mA，VOUT的输出范围在0.5-4.5V之间，由此可得出量程为4V。传感器将输出电压VOUT输出给微控制器STM8的AD采样引脚，采用8位转换，则量化单位Δ=4/256V=15.6mV。该量化值小于ACS712 的检测灵敏度，因此用8 位的A D 转换在精度上能满足实际设计需要［4］。

2.3　软件设计

系统上电初始化后，控制负载的开断，电流检测电路检测流经传感器的电流，输出VOUT值到微控制器的AD采样引脚，微控制器根据上述计算公式计算电流值，输出计算结果到显示电路显示结果，继续检测电流，将检测到的数据进行实时显示。当微控制器发出导通信号控制多路负载的继电器导通时，应设置一个电流限值（此限值不应超过传感器的最大量程），一旦检测到的电流值超过此限值，应根据负载的优先级顺序关断级别最低的负载，以使检测电流值不会超过量程，并将此结果一并显示出来。

3　结束语

本文简单的介绍了霍尔电流传感器ACS712在电流检测中的应用。基于霍尔传感器具有结构简单、体积小、使用寿命长、使用方便、灵敏度高等优点，使得其在电气测量仪器仪表等方面得到了广泛的应用。为了能够适应现代电力电子设备对检测精度越来越高的要求，对霍尔传感器技术的研究也应该不断提高。