CN1316254C - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以简单的构成来补偿偏移温度漂移的电流传感器。使补偿电路(20、20A)构成为具备由被串联连接的多个二极管(D1a)构成且具有规定的温度特性的二极管组(D1)，从而产生根据规定的温度特性的补偿电压(V_bias)，同时规定的温度特性基于由任意的温度的霍尔元件的非平衡电压Vo的值和与霍尔元件(4)的温度变化相伴的非平衡电压Vo的变化梯度的关系求得的近似直线的斜率而形成。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种采用霍尔元件的电流传感器。

背景技术

直流检测用电流传感器被适用在从家电产品(空调、全自动洗衣机、缝纫机等)乃至工业机器、运输工具(汽车、铁道、船舶等)的广泛的领域中，特别是价廉而适用温度范围宽，且要求能够高精度地检测电流。

这种电流传感器的检测用元件一般采用霍尔元件和MR(磁电阻效应)元件，但从比较经济的方面考虑采用霍尔元件成为了主流。

但是，采用霍尔元件的电流传感器除了霍尔元件的特性以外，还因传感器灵敏度随着周围温度变化而产生变化，而容易产生误差。

此外，即使被测定电流为零，也存在产生偏移电压(非平衡电压×放大器放大率)，且该电压由于霍尔元件特性的变化和周围温度变化而不稳定等问题。

因此，具有消除这种偏移电压结构的电流传感器被提出，且作为一例有根据本申请人的申请的专利文献1中记载的电流传感器。

该电流传感器构成为把随着温度变化而变化的霍尔元件的内部电阻的电压下降输入到补偿用差动放大器，并通过在此规定的补偿用增益β算出而输出，且从差动放大器的电压输出减去补偿用差动放大器的电压输出，而获得传感器输出电压。

[专利文献1]

特开2003-14788号公报

发明内容

但是，上述的电流传感器采用了补偿用差动放大器和加减法器，因此成本较高。因此，期待着以更简单的结构消除由于周围温度变化而产生的偏移电压的温度漂移而能够降低成本的电流传感器。

因此，本发明要解决的问题在于，提供一种以更简单的结构能够补偿根据周围温度变化而产生的偏移温度漂移，且廉价而又能够高精度地检测电流的电流传感器。

为了解决上述问题，本发明作为装置具有以下的构成。

即，方案1为一种电流传感器，具备：霍尔元件；放大所述霍尔元件的输出电压而产生传感器输出电压的差动放大器；以及补偿所述霍尔元件的偏移电压中的变化的补偿电路，所述补偿电路具备被串联连接的每个均具有规定的温度特性的多个二极管，且产生与所述规定的温度特性对应的补偿电压，所述规定的温度特性，基于由任意温度的所述霍尔元件的非平衡电压的值与伴随所述霍尔元件的温度变化的所述非平衡电压的变化梯度的关系求得的近似直线的斜率而形成，所述补偿电压加算到所述霍尔元件的所述输出电压且输入到所述差动放大器，其中，所述被串联连接的多个二极管被分为第一二极管组和第二二极管组，所述第一和第二二极管组在正向偏压方向经由电阻串联连接，并具有规定相同数量的在正向偏压方向上串联连接的二极管，与所述第一和第二二极管组并联连接有电阻电路，从该电阻电路输出所述补偿电压。

其中，优选的是，所述电阻电路包括在正向偏压方向上串联连接的第一和第二电阻、在正向偏压方向上串联连接的第三和第四电阻、以及第五电阻，该第五电阻的一个端子与所述第一和第二电阻的连接点连接，该第五电阻的另一个端子与所述第三和第四电阻的连接点连接，出现在所述第四电阻的电压作为所述补偿电压输出，所述第一和第二电阻与所述第一二极管组并联连接，所述第三和第四二电阻与所述第二二极管组并联连接，所述第一和所述第四电阻的电阻值相等，所述第二和所述第三电阻的电阻值相等。

其中，优选的是，所述第五电阻是可变电阻器，其可调整以补偿所述霍尔元件的偏移电压的变化，通过选择第一和第四电阻的电阻值、第二和第三电阻的电阻值、以及每个二极管的正向电压或每个二极管组中二极管的数量，以使所述传感器输出电压和所述补偿电压具有实质上相同的温度特性。

其中，优选的是，所述第五电阻由串联连接的第六和第七电阻构成，所述第六和第七电阻的电阻值比第一至第四电阻大，每个二极管的正向电压的温度系数比每个电阻的温度系数大，伴随温度变化的每个电阻值的变化小到可忽略不计。

根据本发明的电流传感器，由于周围温度的变化而产生的偏移温度漂移能够以更简单的构成进行补偿，且起到廉价而又能高精度地检测电流等效果。

附图说明

图1为表示本发明的电流传感器的第1实施例的构成框图。

图2为表示不随温度产生应力变化的霍尔元件的非平衡电压的温度特性的曲线图。

图3为表示周围温度为25℃时的非平衡电压与非平衡电压的温度特性之间关系的曲线图。

图4为表示本发明的电流传感器的第2实施例的补偿电路的构成框图。

图5为表示周围温度为0℃时的非平衡电压与非平衡电压的温度特性之间关系的曲线图。

具体实施方式

根据优选实施例并利用图1～图5对本发明的实施方式进行说明。

图1为表示本发明的电流传感器的第1实施例的构成框图；

图2为表示不随温度产生应力变化的霍尔元件的非平衡电压的温度特性的曲线图；

图3为表示周围温度为25℃时的非平衡电压与非平衡电压的温度特性之间关系的曲线图；

图4为表示本发明的电流传感器的第2实施例的补偿电路的构成框图；

图5为表示周围温度为0℃时的非平衡电压与非平衡电压的温度特性之间关系的曲线图。

本发明的电流传感器构成为具备，所使用的霍尔元件成为未被模塑成型的状态，或者霍尔元件部被不随温度产生应力的物质包围的状态，从而利用由该非平衡电压的周围温度引起的变化与周围温度大致为常温(例如0℃或25℃)时的非平衡电压值之间的相互关系，及二极管的正向电压的温度特性，并通过调整差动放大器的输入端子的偏置电压，而补偿偏移电压的温度漂移的补偿电路。

(实施例1)

首先，利用图1～图3对第1实施例进行详细说明。

如图1(A)所示，该第1实施方式例的电流传感器中，从恒流源6向霍尔元件4的一方向有恒定的电流Ic流过，从与上述一方向正交的另一方向的输出分别通过输入电阻8、10而被输入到差动放大器12。

并且，霍尔元件4的“+”输出被连接在差动放大器12的“-”输入，且霍尔元件4的“-”输出被连接在差动放大器12的“+”输入。

此外，在此差动放大器12的输出端子与一输入端子之间连接有反馈电阻14。

另一方面，在输入电阻10与差动放大器12的“+”输入之间的V_bias上连接有补偿电路20。

对于该补偿电路20则利用图1(B)进行说明。

补偿电路20，在恒定电源电压Vcc、-Vss之间通过电阻R5串联连接着由n个二极管D1a串联连接的一对二极管组D1。

此外，在各二极管组D1上并联了串联连接的电阻R1、R2，且在电阻R1与电阻R2的连接点上连接有3端子可变电阻器VR1的固定端子RV1、RV2。

此外，在V_bias上连接有可动端子P。

电源不限于该图所示的+Vcc和-Vss的正负两电源，还可以是+Vcc和接地的单电源。

接着，主要利用图2对本实施例中温度漂移补偿方法进行说明。

图2为表示霍尔元件的周围温度与非平衡电压之间关系的曲线图。

这是表示对霍尔元件的8个样本例(Smp1#1～Smp1#8)，基于向各输入端子供给1mA的直流而测定的实测值的近似线的图。

从该图中可知这种关系能够用一次函数表达式进行直线近似。该近似式在曲线图框之外对各样本例的每个都做了记载。

该补偿方法为通过调整V_bias的电压(以下，称为补偿电压V_bias或简称为V_bias)来改变传感器输出电压Vout(以下，称作Vout)而消除图1(A)所示电路的偏移电压的方法。

当V_bias恒定时，如图2的Smp1#1～Smp1#3所示，某一温度的非平衡电压在“+”侧时，Vout比非平衡电压为0(零)时还要下降。

该电压下降Vd具体讲为“非平衡电压”ד差动放大器的放大倍数”。

若从该温度升温，则由于Smp1#1～Smp1#3的温度特性(参照图2)使非平衡电压上升，由此Vout便进一步下降。

因此，提高补偿电压V_bias以便符合该Vout的温度特性，从而使两者抵消。

相反，如图2的Smp1#5～Smp1#8所示，某一温度的非平衡电压在“-”侧时，Vout比非平衡电压为0(零)时还要上升。

若从该温度升温，则由于Smp1#5～Smp1#6的温度特性使非平衡电压下降，因此Vout便进一步上升。

因此，降低补偿电压V_bias以便符合该Vout的温度特性，从而抵消两者。

图1(B)所示的补偿电路20，至少能够在可直线近似非平衡电压的温度下，调整Vout的电压，同时还能对温度漂移进行补偿。

一般二极管在其正向电压具有温度依赖性，且温度上升时电压降低。

因此，该补偿电路20的连接构成中，固定端子RV1侧电压V1随着温度上升而上升，相反固定端子RV2侧的电压V2则下降。

当待补偿的霍尔元件的某一温度(例如常温)的非平衡电压在“+”方向时，通过把3端可变电阻器VR1置于RV1侧而调整补偿电压V_bias，能够使所有使用温度的Vout与采用非平衡电压为0(零)的霍尔元件时大致相同。

相反，当待补偿的霍尔元件的某一温度(例如常温)的非平衡电压在“-”方向时，通过把3端子可变电阻器VR1置于RV2侧而调整补偿电压V_bias，能够使所有使用温度的Vout与采用非平衡电压为0(零)的霍尔元件时大致相同。

此外，通过把电阻R1、R2的电阻值和二极管组D1的二极管D1a的正向电压或其个数n设定为使V_bias与Vout的温度特性相同，只通过某一温度(例如常温)的3端子可变电阻器VR1的调整就能够消除霍尔元件的非平衡电压的温度漂移。

具体讲，霍尔元件的非平衡电压特性(参照图2)，例如在25℃下的非平衡电压的值和由温度变化引起的非平衡电压的变化梯度(斜率)之间的关系上利用可直线近似的相关关系。对于该相关关系与近似直线表示在图3中。

图3为把x＝25代入图2的各近似式中的非平衡电压V_o表示在横轴，而代入的近似式的一次系数表示在纵轴，从而进行直线近似的图。

构成能获得具有该近似直线的斜率的补偿电压V_bias的补偿电路。

具体讲，应该适当地设定电阻R1、R2的电阻值和二极管组D1的二极管D1a的正向电压或其个数n。

上述的实施例由于只通过廉价的通用元件能够简单地构成，因而能够作成极廉价的电流传感器。另一方面，极其有效地减少由于周围温度的变化导致的偏移漂移。

(实施例2)

利用图4、图5对第2实施例进行详细说明。

该第2实施例的电流传感器把第1实施例的补偿电路20的3端子可变电阻器VR1置换成固定电阻R3、R4，而其余部分相同。图4为表示该第2实施例的补偿电路20A的构成框图。

对于该补偿电路20A中固定电阻R1～R4设定方法的一例进行说明。

以下的说明以“二极管的正向电压Vd的温度系数”＞＞“各电阻的温度系数”，而各电阻的温度变化可以忽略为前提，且在补偿电路20A中使用满足该关系的二极管和电阻。

(1)由实测值求出霍尔元件的非平衡电压和该温度特性的斜率。

其中为了简化计算，求出图2的温度0℃的斜率α。

具体讲，把x＝0代入图2的各近似式中的非平衡电压V_o表示在横轴，而代入的近似式的一次系数表示在纵轴(参照图5)。

由此，斜率α由(1)式得出。以下，在0℃的值附上(t＝0)而进行表示。

α＝0.0018×Vo(t＝0)  …(1)

(但是，Vo单位为mV)

(2)确定流入霍尔元件的电流值(Ic)和信号放大器的放大率。

如上所述，图2所示的霍尔元件的特性值都是在霍尔元件的输入端子流入直流1mA时的值。

因此，通过对1mA进行实际供给的电流值与放大器放大率的相乘，可表示出总放大率β。

此外，该放大率β由于放大器反相放大，而极性为负。

(3)为了确定用于调整0℃的传感器输出的偏移电压的V_bias的调整量，把体现在传感器输出上的偏移电压V_off由表达式表示。该表达式变为(2)式。

V_off(t＝0)＝β×Vo(t＝0)    …(2)

(4)把(2)式表示为温度函数。该表达式变为(3)式。

V_off(t)＝β{0.0018×Vo(t＝0)×t+Vo(t＝0)}  …(3)

(5)把(3)式作为温度函数而进行微分。

(数1)

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{off}}}{\mathrm{dt}}=0.0018\·\mathrm{\β}{\·V}_0(t=0)---\left(4\right)$

以上为通过数学式表示霍尔元件的非平衡电压与其温度变化对传感器输出有多大影响的方法的顺序。

接着，对于补偿其影响的V_bias设定方法进行说明。

(6)V_bias由表达式表示。

第2实施例的补偿电路20A(参照图4)，例如当使用Vss＝Vcc的电源而具有R3、R4＞＞R1、R2关系时，V_bias可由(5)式表示。

(数2)

$V_{\mathrm{bias}}=(\frac{2R_4}{R_3+R_4}-1)\·(\mathrm{Vcc}-\frac{R_1}{R_1+R_2}\·n\·V_D)---\left(5\right)$

(7)把V_bias[(5)式]作为温度函数而进行微分。

(数3)

$\frac{d{V}_{\mathrm{bias}}}{\mathrm{dt}}=-(\frac{2R_4}{R_3+R_4}-1)\·\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)\·n\·\frac{d{V}_D}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

(8)该方法，如上所述，通过V_bias的改变而进行电流传感器的偏移电压的调整。即，V_off与V_bias的关系若能由以下式表达，则只通过调整V_bias就能够进行最佳的温度补偿。

(数4)

$V_{\mathrm{off}}\∞\frac{d{V}_{\mathrm{off}}}{\mathrm{dt}}=-V_{\mathrm{bias}}\∞\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{bias}}}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

若把该(7)式进行变形，

(数5)

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{off}}/\mathrm{dt}}{V_{\mathrm{off}}}=-\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{bias}}/\mathrm{dt}}{V_{\mathrm{bias}}}---\left(8\right)$

(8)式中的V_off和V_bias可作为相同温度(此时为0℃)进行计算。

(9)(8)式的左边的计算

(数6)

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{off}}/\mathrm{dt}}{V_{\mathrm{off}}(t=0)}=\frac{-0.0018\mathrm{\β}\·V_0(t=0)}{\mathrm{\β}\·V_0(t=0)}=-0.0018---\left(9\right)$

如该(9)式的结果，β被抵消掉。

因此，得知即使放大率β有变动，首先进行放大率调整后，通过进行偏移调整而在所有的情况下(9)式的关系成立。

(10)(8)式右边的计算

(数7)

$-\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{bias}}/\mathrm{dt}}{V_{\mathrm{bias}}(t=0)}=\frac{(\frac{2\·R_4}{R_3+R_4}-1)\·\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)\·n\·\frac{{\mathrm{dV}}_D}{\mathrm{dt}}}{(\frac{\text{2\·}{R}_4}{R_3+R_4}-1)\·(\mathrm{Vcc}-\frac{R_1}{R_1+R_2}\·n\·V_D(t=0))}---\left(10\right)$

(11)其中，设Vcc＝+12V，R1/(R1+R2)＝A，计算(9)式＝(10)式。

(数8)

$-0.0018=-\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{bias}}/\mathrm{dt}}{V_{\mathrm{bias}}(t=0)}=\frac{A\·n\·\frac{{\mathrm{dV}}_D}{\mathrm{dt}}}{(12-A\·\·V_D(t=0))}---\left(11\right)$

进而，作为一般的值把二极管正向电压Vd(t＝0)设为0.6V，而其温度系数设为-2.0×10^-3，则成为

A×n＝7.013  …(12)

其中，由于A＜1，n＝自然数，因而在满足该(12)式的关系的解之中，得到以下的例解。

(n的选择一般使成本、二极管的电压下降或电源的自由度等成为最小值。)

例解：A＝0.876625，n＝8

进而，若使R2＝γR1，则从例解得出

γ＝0.279。

如果所使用的电阻为24系列，则作为与该值最为接近的现实的组合，而选定以下的电阻值。

R1＝430Ω，R2＝120Ω

对于R3、R4，为了能够满足上述的R3，R4＞＞R1，R2关系而设定比R1、R2的值大几个量级的值，例如50kΩ以上的电阻值。

由此，来自R1、R2之间的流出、流入电流与流过R1、R2的电流相比变得充分小，从而例解与实际动作的误差成为可忽略的程度。

因此，可以进行高精度的补偿。

本发明的实施例不限于上述的构成，当然在不脱离本发明的思想的范围内，可以进行各种变形。

Claims (3)

1.一种电流传感器，具备：霍尔元件；放大所述霍尔元件的输出电压而产生传感器输出电压的差动放大器；以及补偿所述霍尔元件的偏移电压的变化的补偿电路，所述补偿电路具备被串联连接的每个均具有规定的温度特性的多个二极管，且产生与所述规定的温度特性对应的补偿电压，所述规定的温度特性，基于由任意温度的所述霍尔元件的非平衡电压的值与伴随所述霍尔元件的温度变化的所述非平衡电压的变化梯度的关系求得的近似直线的斜率而形成，所述补偿电压加算到所述霍尔元件的所述输出电压而输入到所述差动放大器，

其中，所述被串联连接的多个二极管被分为第一二极管组和第二二极管组，所述第一和第二二极管组在正向偏压方向经由电阻串联连接，并具有规定相同数量的在正向偏压方向上串联连接的二极管，与所述第一和第二二极管组并联连接有电阻电路，从该电阻电路输出所述补偿电压，

所述电阻电路包括在正向偏压方向上串联连接的第一和第二电阻、在正向偏压方向上串联连接的第三和第四电阻、以及第五电阻，该第五电阻的一个端子与所述第一和第二电阻的连接点连接，该第五电阻的另一个端子与所述第三和第四电阻的连接点连接，由所述第五电阻产生的电压作为所述补偿电压输出，所述第一和第二电阻与所述第一二极管组并联连接，所述第三和第四电阻与所述第二二极管组并联连接，所述第一和所述第四电阻的电阻值相等，所述第二和所述第三电阻的电阻值相等。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述第五电阻是可变电阻器，其可调整以补偿所述霍尔元件的偏移电压的变化，通过选择第一和第四电阻的电阻值、第二和第三电阻的电阻值、以及每个二极管的正向电压或每个二极管组中二极管的数量，以使所述传感器输出电压和所述补偿电压具有实质上相同的温度特性。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述第五电阻由串联连接的第六和第七电阻构成，所述第六和第七电阻的电阻值比第一至第四电阻大，每个二极管的正向电压的温度系数比每个电阻的温度系数大，伴随温度变化的每个电阻值的变化小到可忽略不计。

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