電壓互感器設(shè)計(jì)方案

電壓互感器設(shè)計(jì)方案方案名稱：電壓互感器方案摘要：本方案意在通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)反饋轉(zhuǎn)化裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)中頻爐加熱系統(tǒng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，即電壓傳感器。通電線圈里的交變電流產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)，將傳感器置于磁場(chǎng)中會(huì)在傳感器關(guān)鍵器件上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（法拉利電磁感應(yīng)），通過(guò)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)來(lái)間接反映磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而建立起計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象之間的橋梁。本文準(zhǔn)備兩套方案來(lái)設(shè)計(jì)電壓互感器。一種是基于霍爾效應(yīng)的霍爾線性集成傳感器，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓經(jīng)放大器放大后輸出。另一種利用磁敏晶體管，此類晶體管是繼霍爾元件之后發(fā)展起來(lái)的一種新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有磁靈敏度高、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大等特點(diǎn)，因此在電磁測(cè)量、工業(yè)控制及檢測(cè)技術(shù)方面得到廣泛應(yīng)用。磁敏晶體管中主要有磁敏二極管，磁敏三極管。方案內(nèi)容：方案一：霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻栃?yīng)原理：將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以磁場(chǎng)B，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產(chǎn)生出電動(dòng)勢(shì)匕，如圖1所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。匕稱為霍爾電壓。

圖3霍爾效應(yīng)原理圖I——控制電流Ih——霍爾電流 Vh——爾電壓 V——控制電壓R——輸入電阻R3——負(fù)載電阻圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻，保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負(fù)載R3，R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。

設(shè)霍耳片厚度d均勻，電流I和霍耳電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng)、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢(shì)勢(shì)的關(guān)系式匕物* —霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。H基本特性：1.2.直線性指霍耳器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。1.2.靈敏度可以用乘積靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度、電勢(shì)靈敏度表示:WhBIKh——乘積靈敏度，表示霍耳電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值，通常以mV/(mA?0.1T)。因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來(lái)確定,故稱為乘積靈敏度。3.霍爾元件的測(cè)量誤差3.霍爾元件的測(cè)量誤差造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類：半導(dǎo)體固有特性和半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。誤差表現(xiàn)為:零位誤差和溫度誤差。零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位電勢(shì)，又稱為不等位電縱主要原因在于霍爾電極不在同一等位面?？刹捎秒姌蚱胶庠硌a(bǔ)償。

DK]R2 1I~~II A B溫度誤差由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同，而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻（輸入、輸出電阻）的變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N：采用恒流源提供控制電流、合理選擇負(fù)載電阻、采用熱敏電阻，也可以將整個(gè)霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)補(bǔ)償。其中最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是用熱敏電阻對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常采用圖3所示的溫度HW3O06ffL對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件補(bǔ)償電路，其中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。常采用圖3所示的溫度HW3O06ffL切〕桐入回路樸候(&}inpvtcitcuiiEDinpeRsation圖3（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾元件的乘積靈敏度S和輸入電阻Ri變化對(duì)霍爾輸出電勢(shì)Vk的影響。圖3（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾電勢(shì)Vk和輸出電阻R0變化對(duì)負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。安裝測(cè)量電路時(shí)，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501。雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。下面主要介紹SL3501M的實(shí)際應(yīng)用電路圖3GND4-2空腳①OUT18 7 6 51IIFIIJI12348OUT2SL350T