專利名稱：一種霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電流變換領(lǐng)域，特別是一種用作工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)程監(jiān)控或智能控制的霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)。
背景技術(shù)：
在電氣設(shè)備中使用直流電源作為供電電源的情況下，為了使用安全，常常給電氣設(shè)備供電的直流回路中串接直流過流保護(hù)器來對直流電源輸出進(jìn)行過流保護(hù)，如采用空氣開關(guān)、磁斷路器、熔絲等直流過流保護(hù)器。在某路電流超過設(shè)計(jì)電流較大(如大于某一預(yù)定的閾值)時(shí)，該直流過流保護(hù)器能夠自動(dòng)斷開此回路。最近幾年，隨著各類直流電流變送器的出現(xiàn)，變送器結(jié)合微處理器和直流接觸器等構(gòu)成新型的直流過流保護(hù)器。使用直流電流變送器監(jiān)控某路電路，經(jīng)過電流轉(zhuǎn)換輸出給微處理器，微處理器判斷是否大于預(yù)先設(shè)定的電流閾值，若大于，則發(fā)出信號驅(qū)動(dòng)直流接觸器動(dòng)作或發(fā)出其他警告信號。這樣，以達(dá)到保護(hù)電網(wǎng)、直流電源系統(tǒng)的目的。因此，要求直流過流保護(hù)器能夠?qū)崟r(shí)檢測、上報(bào)直流過流保護(hù)器的工作狀態(tài)給本地或遠(yuǎn)程用戶，以方便對被保護(hù)電氣設(shè)備的管理和維護(hù)。然而，這兩類直流過流保護(hù)器都存在一些問題，主要表現(xiàn)在:I)直接串聯(lián)在直流回路中的直流過流保護(hù)器，均為易損或狀態(tài)易切換的電路保護(hù)單元。如不可恢復(fù)熔絲，直流回路一過流，熔絲熔斷，需要重新更換熔絲，才能使直流回路繼續(xù)工作。另外，空氣開關(guān)和磁斷路器容易誤動(dòng)作。2)由直流電流變送器、微處理器、直流接觸器等構(gòu)成的直流過流保護(hù)裝置，雖然性能良好，實(shí)用性較強(qiáng)，但其成本較高，且電流閾值不可調(diào)節(jié)，這就限制了這個(gè)方案的推廣。以上兩種直流過流保護(hù)器，由于存在這些問題，限制了在直流回路(如直流電機(jī)過流保護(hù))的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，根據(jù)直流回路中電流的大小，改變固態(tài)開關(guān)的輸出狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)與其他直流過流保護(hù)裝置同等功能和電流閾值可調(diào)節(jié)的前提下，減少成本。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，包括直流電流感應(yīng)模塊、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路，所述直流電流感應(yīng)模塊包括一開口聚磁環(huán)和固定在所述開口聚磁環(huán)開口上的線性霍爾電路；所述線性霍爾電路、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路依次連接。作為優(yōu)選方案，所述電壓比較和跟隨電路采用集成有兩個(gè)運(yùn)算放大器的運(yùn)放芯片，所述兩個(gè)運(yùn)算放大器分別用作電壓比較器和電壓跟隨器。作為優(yōu)選方案，所述信號輸出電路包括電源、與所述電源連接的兩個(gè)指示燈、兩個(gè)串聯(lián)的MOS管，第一指示燈通過一個(gè)三極管與電源地連接，第二指示燈通過一個(gè)二極管與電源地連接，所述電壓比較器輸出端接到兩個(gè)MOS管的柵極，所述電壓跟隨器的輸出端接到所述三極管的基極，所述兩個(gè)MOS管的漏極各連接有一個(gè)輸出端口。線性霍爾電路感應(yīng)穿心直流電流的大小，其輸出電壓隨穿心電流變化而線性變化，與預(yù)先設(shè)定的電流動(dòng)作閾值進(jìn)行比較，來改變一個(gè)固態(tài)開關(guān)的輸出狀態(tài)，固態(tài)開關(guān)由兩MOS管組成。在具體的產(chǎn)品實(shí)施中，只需要一塊二運(yùn)算放大器集成電路、霍爾電路、開口聚磁環(huán)，以及兩MOS管等和少量外圍元件即可，便于實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所具有的有益效果為:本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、溫漂小、回差小、精確度高，工作穩(wěn)定可靠，有LED狀態(tài)指示燈，電流動(dòng)作閾值可調(diào)。

圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例直流電流感應(yīng)模塊示意圖；圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路原理圖；圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型一實(shí)施例包括直流電流感應(yīng)模塊、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路，所述直流電流感應(yīng)模塊包括一開口聚磁環(huán)I和固定在所述開口聚磁環(huán)I開口上的線性霍爾電路2 ;所述線性霍爾電路2、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路依次連接，其中圖1中線性霍爾電路2的輸出接到圖2的中標(biāo)簽為IN線路上。如圖1所示，當(dāng)一條導(dǎo)線流過電流時(shí)，在導(dǎo)線的周圍會產(chǎn)生磁場。電流為直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場是穩(wěn)定不變的磁場。開口聚磁環(huán)作用就是，把導(dǎo)線周圍某個(gè)范圍的磁場聚集起來，集中作用于圖中的線性霍爾，提高對電流的靈敏度。聚磁環(huán)為厚度較薄的硅鋼片疊加而成。這里采用的是三腳線性霍爾電路，其中的三個(gè)管腳，一個(gè)為正電源，一個(gè)為負(fù)電源，一個(gè)為電壓輸出，其靜態(tài)輸出電壓為:(正電壓+負(fù)電壓)/2。參見圖2，此部分為霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)(輸出為常開)的電路原理圖。先對供電電壓穩(wěn)壓，給運(yùn)放和線性霍爾供電。兩個(gè)運(yùn)放芯片Ul的一個(gè)運(yùn)放當(dāng)作電壓比較器使用，一個(gè)運(yùn)放當(dāng)作電壓跟隨器使用。這樣的電路設(shè)計(jì)可以節(jié)省一個(gè)MOS管，且隔離指示燈回路與固態(tài)開關(guān)回路。首先通過可調(diào)電位器VRl調(diào)節(jié)運(yùn)放Ul的2腳上的電壓，線性霍爾輸出經(jīng)過R3接到運(yùn)放Ul的3腳。當(dāng)2腳的電壓大于3腳的電壓時(shí)，即穿心電流沒達(dá)到電流動(dòng)作閾值時(shí)，因Ul的I腳輸出低電平，三極管Ql沒導(dǎo)通。此時(shí)LED指示燈D5亮，D6滅，MOS管Q2、Q3也關(guān)斷，輸出端口 L1、L2不導(dǎo)通。當(dāng)穿心電流增大，線性霍爾輸出電壓相應(yīng)增大。當(dāng)3腳上的電壓大于2腳上的電壓時(shí)，Ul的I腳由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑龢O管Ql導(dǎo)通，LED指示燈D5滅，D6亮，MOS管Q2、Q3也導(dǎo)通，輸出端口 L1、L2導(dǎo)通。為簡化分析與驗(yàn)證本發(fā)明的可行性，現(xiàn)對電路中的各種元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并做出成品。開口聚磁環(huán)的具體規(guī)格為外徑R:35mm,內(nèi)徑r:25mm,高度:10mm,開口寬度h:2mm,材料:厚度為0.23mm的娃鋼片。[0023]線性霍爾，這里采用49E線性霍爾電路，49E霍爾價(jià)格便宜、體積小、精確度高、靈敏度高、線性好、溫度穩(wěn)定性好、可靠性高，最大工作電壓可為9V。這里為提高49E的靈敏度，給49E的電壓為8V，則其靜態(tài)輸出為4V左右。配合開口聚磁環(huán)，剛穿心電流每變化50A，則49E的輸出電壓變化IV，因?yàn)?9E在8V供電情況下，最大電壓輸出可達(dá)7V左右，剛可測量到的最大穿心電流為150A。為了增大給感應(yīng)開關(guān)的供電電壓的范圍，這里采用線性穩(wěn)壓芯片LM317，當(dāng)Rl =220，R2=1.2k時(shí)，輸出電壓為:1.25* (1+R2/R1) = 8.07V，則輸入電壓可為IOV到30V的直流電壓，其中輸出的8V電壓供電給運(yùn)放和49E霍爾電路。兩運(yùn)放芯片采用LM358，LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合作為電壓比較器使用。下面給出了其他主要元件的參數(shù)及簡要介紹。R4 = 100k，VRl 的量程為 100k，R8 = IOk，R3、R4、R8 取這些阻值，是為了取得在電壓比較器的反相輸入端最小4V左右，最大到7.5V左右，這也符合49E線性霍爾電線的輸出特性。R3 = IOk，R5 = 100k，R6 = IOk，R7 = 200k，其中各電阻的功率為0.25W，誤差為0.5%的5環(huán)電阻。三極管Ql為2N3904，MOS管Q2、Q3為BSP297，BSP297通態(tài)電流可達(dá)0.65A，阻斷情況下，漏極到源極的電壓可達(dá)200V，通態(tài)電阻只有2Ω。根據(jù)這些參數(shù)，做成產(chǎn)品，按照圖3接線，并實(shí)際測量。圖3中的主回路即為所要監(jiān)控的直流回路，包括直流電壓源、主回路負(fù)載等，主回路線路穿過產(chǎn)品(注意穿過的方向)，直流電壓源給霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)供電。負(fù)載回路同樣包括負(fù)載電源和負(fù)載，負(fù)載可為蜂鳴器、繼電器線圈等；負(fù)載回路也可以是接入微處理器，一端接微處理器內(nèi)部電源，另一端接微處理器的I/O 口。當(dāng)主回路中的電流增大到預(yù)先設(shè)定的電流動(dòng)作閾值時(shí)，負(fù)載回路的兩個(gè)接線端子(干接點(diǎn))的輸出狀態(tài)改變。若固態(tài)開關(guān)為常開結(jié)點(diǎn)，則負(fù)載開始工作或微處理器的I/o 口為高電平 ；若固態(tài)開關(guān)為常閉結(jié)點(diǎn)，則負(fù)載停止運(yùn)行或微處理器的I/
O口為低電平?；魻栔绷鬟^流感應(yīng)開關(guān)可感應(yīng)到的直流穿心電流可小至0.3A，最大連續(xù)工作電流可達(dá)150A。最大負(fù)載可到0.35A/130V AC/DC，電流回差小于3%(實(shí)際測量到的一組值:固態(tài)開關(guān)正好開通的穿心電流為3A，再減小穿心電流到2.95A時(shí)，固態(tài)開關(guān)關(guān)閉；則回差為:(3--2-95)/3 1/7%<2% )。樣品的溫度特性良好，溫漂不超過3%。
權(quán)利要求1.一種霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，包括直流電流感應(yīng)模塊、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路，其特征在于，所述直流電流感應(yīng)模塊包括一開口聚磁環(huán)和固定在所述開口聚磁環(huán)開口上的線性霍爾電路；所述線性霍爾電路、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，其特征在于，所述線性霍爾電路為三腳線性霍爾電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，其特征在于，所述電壓比較和跟隨電路采用集成有兩個(gè)運(yùn)算放大器的運(yùn)放芯片，所述兩個(gè)運(yùn)算放大器分別用作電壓比較器和電壓跟隨器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，其特征在于，所述信號輸出電路包括電源、與所述電源連接的兩個(gè)指示燈、兩個(gè)串聯(lián)的MOS管，第一指示燈通過一個(gè)三極管與電源地連接，第二指示燈通過一個(gè)二極管與電源地連接，所述電壓比較器輸出端接到兩個(gè)MOS管的柵極，所述電壓跟隨器的輸出端接到所述三極管的基極，所述兩個(gè)MOS管的漏極各連接有一個(gè)輸出端口。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種霍爾直流過流感應(yīng)開關(guān)，包括直流電流感應(yīng)模塊、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路，所述直流電流感應(yīng)模塊包括一開口聚磁環(huán)和固定在所述開口聚磁環(huán)開口上的線性霍爾電路；所述線性霍爾電路、電壓比較和跟隨電路、信號輸出電路依次連接。本實(shí)用新型電路簡單、成本低、溫漂小、回差小、精確度高，工作穩(wěn)定可靠，有LED狀態(tài)指示燈，電流動(dòng)作閾值可調(diào)。
文檔編號H03K17/90GK203039659SQ20132001671
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者帥智康, 彭斌, 沈征, 尹新, 周猛, 黃昊, 熊正斌, 蔣夢軒 申請人:湖南大學(xué)