电压互感器设计方案

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1、电压互感器设计方案方案名称：电压互感器方案摘要：本方案意在通过设计一个反馈转化装置来实现计算机对中频炉加热系统温 度的实时监控，即电压传感器。通电线圈里的交变电流产生同频率的磁场，将传感器 置于磁场中会在传感器关键器件上产生感应电动势（法拉利电磁感应），通过对感应 电动势的检测来间接反映磁场强度，从而建立起计算机与被控对象之间的桥梁。本文 准备两套方案来设计电压互感器。一种是基于霍尔效应的霍尔线性集成传感器，当外 加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压经放大器放大后输出。另一 种利用磁敏晶体管，此类晶体管是继霍尔元件之后发展起来的一种新型磁电转换器 件，它具有磁灵敏度高、响应快、

2、无触点、输出功率大等特点，因此在电磁测量、 工业控制及检测技术方面得到广泛应用。磁敏晶体管中主要有磁敏二极管，磁敏三 极管。方案内容：方案一：霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一 般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍 耳电压，经放大器放大后输出。霍尔效应原理：将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势匕，如图1所示，这现象称为霍尔效应。匕称 为霍尔电压。图3霍尔效应原理图I控制电流Ih霍尔电流Vh 尔电压V控制电压R输入电阻 R3负载电阻图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻

3、，保证器件内所需控制电流I。霍耳输 出端接负载R3，R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直 通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I 和霍耳电势势的关系式匕物*霍耳系数，由载流材料物理性质决定。H基本特性：1.2.直线性 指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。灵敏度可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示:WhBIKh乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比 值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的输出电

4、压要由两个输入量的乘积来确 定,故称为乘积灵敏度。3.霍尔元件的测量误差造成测量误差的主要因素有两类：半导体固有特性和半导体制造工艺的缺陷。误差表现为:零位误差和温度误差。零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势称为零位电势，又称为 不等位电纵主要原因在于霍尔电极不在同一等位面。可采用电桥平衡原理补偿。DK R21 II IAB温度误差由于载流子浓度等随温度变化而变化，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变 化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同，而且温度高到一定程度，产生的变 化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻（输入、输出电阻

5、）的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进 行补偿。对霍尔元件进行温度补偿的方法有很多种：采用恒流源提供控制电流、合理选择 负载电阻、采用热敏电阻，也可以将整个霍尔电流传感器进行监测补偿。其中最简单实用 的方法就是用热敏电阻对霍尔元件进行温度补偿。常采用图3所示的温度HW3O06ffL对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件 补偿电路，其中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。切桐入回路朴候(& inpvt ci tcui i EDinpeRsat ion图3（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的 乘积灵敏度S和输入电阻Ri变化对霍尔输出电

6、势Vk的影响。图3（b）则是在输出回路进行 温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势Vk和输出电阻R0变化对 负载电阻RL上的电压UL的影响。安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一 致。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出 级、失调调整和线性度调整等电路。单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电 压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大 器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501。双端输出的传感器是一 个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。 其典型产品是SL3501M。下面主要介绍SL3501M的实际应用电路图3GND4-2空脚 OUT18765PJF - I I PJ1 I I F I I J I12 3 48 OUT2SL350TTIT1 2 36 -UccSL3501M稳压稳0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0,24 0*28 0.32磁感应强度B/T%5Q/Z/京1(0Q/ZSL3501M传感器的输出特性曲线