專利名稱：電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用霍爾元件的電流傳感器。
背景技術(shù)：
直流檢測用電流傳感器被適用在從家電產(chǎn)品(空調(diào)、全自動(dòng)洗衣機(jī)、縫紉機(jī)等)乃至工業(yè)機(jī)器、運(yùn)輸工具(汽車、鐵道、船舶等)的廣泛的領(lǐng)域中，特別是價(jià)廉而適用溫度范圍寬，且要求能夠高精度地檢測電流。
這種電流傳感器的檢測用元件一般采用霍爾元件和MR(磁電阻效應(yīng))元件，但從比較經(jīng)濟(jì)的方面考慮采用霍爾元件成為了主流。
但是，采用霍爾元件的電流傳感器除了霍爾元件的特性以外，還因傳感器靈敏度隨著周圍溫度變化而產(chǎn)生變化，而容易產(chǎn)生誤差。
此外，即使被測定電流為零，也存在產(chǎn)生偏移電壓(非平衡電壓×放大器放大率)，且該電壓由于霍爾元件特性的變化和周圍溫度變化而不穩(wěn)定等問題。
因此，具有消除這種偏移電壓結(jié)構(gòu)的電流傳感器被提出，且作為一例有根據(jù)本申請人的申請的專利文獻(xiàn)1中記載的電流傳感器。
該電流傳感器構(gòu)成為把隨著溫度變化而變化的霍爾元件的內(nèi)部電阻的電壓下降輸入到補(bǔ)償用差動(dòng)放大器，并通過在此規(guī)定的補(bǔ)償用增益β算出而輸出，且從差動(dòng)放大器的電壓輸出減去補(bǔ)償用差動(dòng)放大器的電壓輸出，而獲得傳感器輸出電壓。
特開2003-14788號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容但是，上述的電流傳感器采用了補(bǔ)償用差動(dòng)放大器和加減法器，因此成本較高。因此，期待著以更簡單的結(jié)構(gòu)消除由于周圍溫度變化而產(chǎn)生的偏移電壓的溫度漂移而能夠降低成本的電流傳感器。
因此，本發(fā)明要解決的問題在于，提供一種以更簡單的結(jié)構(gòu)能夠補(bǔ)償根據(jù)周圍溫度變化而產(chǎn)生的偏移溫度漂移，且廉價(jià)而又能夠高精度地檢測電流的電流傳感器。
為了解決上述問題，本發(fā)明作為裝置具有以下的構(gòu)成。
即，方案1為一種電流傳感器，具備霍爾元件4、對前述霍爾元件的輸出電壓進(jìn)行放大而產(chǎn)生傳感器輸出電壓的差動(dòng)放大器12、以及產(chǎn)生對前述霍爾元件4的偏移電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電壓Vbias的補(bǔ)償電路20、20A，且形成把前述補(bǔ)償電壓Vbias加算到前述霍爾元件4的前述輸出電壓上，而輸入到前述差動(dòng)放大器12的構(gòu)成，其特征在于，使前述補(bǔ)償電路20、20A具備被串聯(lián)連接的多個(gè)二極管D1a構(gòu)成的具有規(guī)定溫度特性的二極管組D1，而使得產(chǎn)生與前述規(guī)定的溫度特性對應(yīng)的前述補(bǔ)償電壓Vbias，同時(shí)使前述規(guī)定的溫度特性，基于從在任意溫度的前述霍爾元件4的非平衡電壓Vo的值和伴隨前述霍爾元件4的溫度變化的前述非平衡電壓Vo的變化梯度的關(guān)系求出的近似直線的斜率而形成特性。
根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器，由于周圍溫度的變化而產(chǎn)生的偏移溫度漂移能夠以更簡單的構(gòu)成進(jìn)行補(bǔ)償，且起到廉價(jià)而又能高精度地檢測電流等效果。


圖1為表示本發(fā)明的電流傳感器的第1實(shí)施例的構(gòu)成框圖。
圖2為表示不隨溫度產(chǎn)生應(yīng)力變化的霍爾元件的非平衡電壓的溫度特性的曲線圖。
圖3為表示周圍溫度為25℃時(shí)的非平衡電壓與非平衡電壓的溫度特性之間關(guān)系的曲線圖。
圖4為表示本發(fā)明的電流傳感器的第2實(shí)施例的補(bǔ)償電路的構(gòu)成框圖。
圖5為表示周圍溫度為0℃時(shí)的非平衡電壓與非平衡電壓的溫度特性之間關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例并利用圖1～圖5對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1為表示本發(fā)明的電流傳感器的第1實(shí)施例的構(gòu)成框圖；圖2為表示不隨溫度產(chǎn)生應(yīng)力變化的霍爾元件的非平衡電壓的溫度特性的曲線圖；圖3為表示周圍溫度為25℃時(shí)的非平衡電壓與非平衡電壓的溫度特性之間關(guān)系的曲線圖；圖4為表示本發(fā)明的電流傳感器的第2實(shí)施例的補(bǔ)償電路的構(gòu)成框圖；圖5為表示周圍溫度為0℃時(shí)的非平衡電壓與非平衡電壓的溫度特性之間關(guān)系的曲線圖。
本發(fā)明的電流傳感器構(gòu)成為具備，所使用的霍爾元件成為未被模塑成型的狀態(tài)，或者霍爾元件部被不隨溫度產(chǎn)生應(yīng)力的物質(zhì)包圍的狀態(tài)，從而利用由該非平衡電壓的周圍溫度引起的變化與周圍溫度大致為常溫(例如0℃或25℃)時(shí)的非平衡電壓值之間的相互關(guān)系，及二極管的正向電壓的溫度特性，并通過調(diào)整差動(dòng)放大器的輸入端子的偏置電壓，而補(bǔ)償偏移電壓的溫度漂移的補(bǔ)償電路。
(實(shí)施例1)首先，利用圖1～圖3對第1實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1(A)所示，該第1實(shí)施方式例的電流傳感器中，從恒流源6向霍爾元件4的一方向有恒定的電流Ic流過，從與上述一方向正交的另一方向的輸出分別通過輸入電阻8、10而被輸入到差動(dòng)放大器12。
并且，霍爾元件4的“+”輸出被連接在差動(dòng)放大器12的“-”輸入，且霍爾元件4的“-”輸出被連接在差動(dòng)放大器12的“+”輸入。
此外，在此差動(dòng)放大器12的輸出端子與一輸入端子之間連接有反饋電阻14。
另一方面，在輸入電阻10與差動(dòng)放大器12的“+”輸入之間的Vbias上連接有補(bǔ)償電路20。
對于該補(bǔ)償電路20則利用圖1(B)進(jìn)行說明。
補(bǔ)償電路20，在恒定電源電壓Vcc、-Vss之間通過電阻R5串聯(lián)連接著由n個(gè)二極管D1a串聯(lián)連接的一對二極管組D1。
此外，在各二極管組D1上并聯(lián)了串聯(lián)連接的電阻R1、R2，且在電阻R1與電阻R2的連接點(diǎn)上連接有3端子可變電阻器R1的固定端子RV1、RV2。
此外，在Vbias上連接有可動(dòng)端子P。
電源不限于該圖所示的+Vcc和-Vss的正負(fù)兩電源，還可以是+Vcc和接地的單電源。
接著，主要利用圖2對本實(shí)施例中溫度漂移補(bǔ)償方法進(jìn)行說明。
圖2為表示霍爾元件的周圍溫度與非平衡電壓之間關(guān)系的曲線圖。
這是表示對霍爾元件的8個(gè)樣本例(Smp1#1～Smp1#8)，基于向各輸入端子供給1mA的直流而測定的實(shí)測值的近似線的圖。
從該圖中可知這種關(guān)系能夠用一次函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行直線近似。該近似式在曲線圖框之外對各樣本例的每個(gè)都做了記載。
該補(bǔ)償方法為通過調(diào)整Vbias的電壓(以下，稱為補(bǔ)償電壓Vbias或簡稱為Vbias)來改變傳感器輸出電壓Vout(以下，稱作Vout)而消除圖1(A)所示電路的偏移電壓的方法。
當(dāng)Vbias恒定時(shí)，如圖2的Smp1#1～Smp1#3所示，某一溫度的非平衡電壓在“+”側(cè)時(shí)，Vout比非平衡電壓為0(零)時(shí)還要下降。
該電壓下降Vd具體講為“非平衡電壓”ד差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)”。
若從該溫度升溫，則由于Smp1#1～Smp1#3的溫度特性(參照圖2)使非平衡電壓上升，由此Vout便進(jìn)一步下降。
因此，提高補(bǔ)償電壓Vbias以便符合該Vout的溫度特性，從而使兩者抵消。
相反，如圖2的Smp1#5～Smp1#8所示，某一溫度的非平衡電壓在“-”側(cè)時(shí)，Vout比非平衡電壓為0(零)時(shí)還要上升。
若從該溫度升溫，則由于Smp1#5～Smp1#6的溫度特性使非平衡電壓下降，因此Vout便進(jìn)一步上升。
因此，降低補(bǔ)償電壓Vbias以便符合該Vout的溫度特性，從而抵消兩者。
圖1(B)所示的補(bǔ)償電路20，至少能夠在可直線近似非平衡電壓的溫度下，調(diào)整Vout的電壓，同時(shí)還能對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
一般二極管在其正向電壓具有溫度依賴性，且溫度上升時(shí)電壓降低。
因此，該補(bǔ)償電路20的連接構(gòu)成中，固定端子RV1側(cè)電壓V1隨著溫度上升而上升，相反固定端子RV2側(cè)的電壓V2則下降。
當(dāng)待補(bǔ)償?shù)幕魻栐哪骋粶囟?例如常溫)的非平衡電壓在“+”方向時(shí)，通過把3端可變電阻器VR1置于RV1側(cè)而調(diào)整補(bǔ)償電壓Vbias，能夠使所有使用溫度的Vout與采用非平衡電壓為0(零)的霍爾元件時(shí)大致相同。
相反，當(dāng)待補(bǔ)償?shù)幕魻栐哪骋粶囟?例如常溫)的非平衡電壓在“-”方向時(shí)，通過把3端子可變電阻器VR1置于RV2側(cè)而調(diào)整補(bǔ)償電壓Vbias，能夠使所有使用溫度的Vout與采用非平衡電壓為0(零)的霍爾元件時(shí)大致相同。
此外，通過把電阻R1、R2的電阻值和二極管組D1的二極管D1a的正向電壓或其個(gè)數(shù)n設(shè)定為使Vbias與Vout的溫度特性相同，只通過某一溫度(例如常溫)的3端子可變電阻器VR1的調(diào)整就能夠消除霍爾元件的非平衡電壓的溫度漂移。
具體講，霍爾元件的非平衡電壓特性(參照圖2)，例如在25℃下的非平衡電壓的值和由溫度變化引起的非平衡電壓的變化梯度(斜率)之間的關(guān)系上利用可直線近似的相關(guān)關(guān)系。對于該相關(guān)關(guān)系與近似直線表示在圖3中。
圖3為把x＝25代入圖2的各近似式中的非平衡電壓Vo表示在橫軸，而代入的近似式的一次系數(shù)表示在縱軸，從而進(jìn)行直線近似的圖。
構(gòu)成能獲得具有該近似直線的斜率的補(bǔ)償電壓Vbias的補(bǔ)償電路。
具體講，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦O(shè)定電阻R1、R2的電阻值和二極管組D1的二極管D1a的正向電壓或其個(gè)數(shù)n。
上述的實(shí)施例由于只通過廉價(jià)的通用元件能夠簡單地構(gòu)成，因而能夠作成極廉價(jià)的電流傳感器。另一方面，極其有效地減少由于周圍溫度的變化導(dǎo)致的偏移漂移。
(實(shí)施例2)利用圖4、圖5對第2實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
該第2實(shí)施例的電流傳感器把第1實(shí)施例的補(bǔ)償電路20的3端子可變電阻器VR1置換成固定電阻R3、R4，而其余部分相同。圖4為表示該第2實(shí)施例的補(bǔ)償電路20A的構(gòu)成框圖。
對于該補(bǔ)償電路20A中固定電阻R1～R4設(shè)定方法的一例進(jìn)行說明。
以下的說明以“二極管的正向電壓Vd的溫度系數(shù)”＞＞“各電阻的溫度系數(shù)”，而各電阻的溫度變化可以忽略為前提，且在補(bǔ)償電路20A中使用滿足該關(guān)系的二極管和電阻。
(1)由實(shí)測值求出霍爾元件的非平衡電壓和該溫度特性的斜率。
其中為了簡化計(jì)算，求出圖2的溫度0℃的斜率α。
具體講，把x＝0代入圖2的各近似式中的非平衡電壓Vo表示在橫軸，而代入的近似式的一次系數(shù)表示在縱軸(參照圖5)。
由此，斜率α由(1)式得出。以下，在0℃的值附上(t＝0)而進(jìn)行表示。
α＝0.0018×Vo(t＝0) …(1)(但是，Vo單位為mV)(2)確定流入霍爾元件的電流值(Ic)和信號(hào)放大器的放大率。
如上所述，圖2所示的霍爾元件的特性值都是在霍爾元件的輸入端子流入直流1mA時(shí)的值。
因此，通過對1mA進(jìn)行實(shí)際供給的電流值與放大器放大率的相乘，可表示出總放大率β。
此外，該放大率β由于放大器反相放大，而極性為負(fù)。
(3)為了確定用于調(diào)整0℃的傳感器輸出的偏移電壓的Vbias的調(diào)整量，把體現(xiàn)在傳感器輸出上的偏移電壓Voff由表達(dá)式表示。該表達(dá)式變?yōu)?2)式。
Voff(t＝0)＝β×Vo(t＝0) …(2)
(4)把(2)式表示為溫度函數(shù)。該表達(dá)式變?yōu)?3)式。
Voff(t)＝β{0.0018×Vo(t＝0)×t+Vo(t＝0)} …(3)(5)把(3)式作為溫度函數(shù)而進(jìn)行微分。
(數(shù)1)dVoffdt=0.0018·β·V0(t=0)···(4)]]>以上為通過數(shù)學(xué)式表示霍爾元件的非平衡電壓與其溫度變化對傳感器輸出有多大影響的方法的順序。
接著，對于補(bǔ)償其影響的Vbias設(shè)定方法進(jìn)行說明。
(6)Vbias由表達(dá)式表示。
第2實(shí)施例的補(bǔ)償電路20A(參照圖4)，例如當(dāng)使用Vss＝Vcc的電源而具有R3、R4＞＞R1、R2關(guān)系時(shí)，Vbias可由(5)式表示。
(數(shù)2)Vbias=(2R4R3+R4-1)·(Vcc-R1R1+R2·n·VD)···(5)]]>(7)把Vbias[(5)式]作為溫度函數(shù)而進(jìn)行微分。
(數(shù)3)dVbiasdt=-(2R4R3+R4-1)·(R1R1+R2)·n·dVDdt···(6)]]>(8)該方法，如上所述，通過Vbias的改變而進(jìn)行電流傳感器的偏移電壓的調(diào)整。即，Voff與Vbias的關(guān)系若能由以下式表達(dá)，則只通過調(diào)整Vbias就能夠進(jìn)行最佳的溫度補(bǔ)償。
(數(shù)4)Voff∝dVoffdt=-Vbias∝dVbiasdt···(7)]]>若把該(7)式進(jìn)行變形，(數(shù)5)dVoff/dtVoff=-dVbias/dtVbias···(8)]]>(8)式中的Voff和Vbias可作為相同溫度(此時(shí)為0℃)進(jìn)行計(jì)算。
(9)(8)式的左邊的計(jì)算(數(shù)6)dVoff/dtVoff(t=0)=-0.0018β·V0(t=0)β·V0(t=0)=-0.0018···(9)]]>如該(9)式的結(jié)果，β被抵消掉。
因此，得知即使放大率β有變動(dòng)，首先進(jìn)行放大率調(diào)整后，通過進(jìn)行偏移調(diào)整而在所有的情況下(9)式的關(guān)系成立。
(10)(8)式右邊的計(jì)算
(數(shù)7)-dVbias/dtVbias(t=0)=(2·R4R3+R4-1)·(R1R1+R2)·n·dVDdt(2·R4R3+R4-1)·(Vcc-R1R1+R2·n·VD(t=0))···(10)]]>(11)其中，設(shè)Vcc＝+12V，R1/(R1+R2)＝A，計(jì)算(9)式＝(10)式。
(數(shù)8)-0.0018=-dVbias/dtVbias(t=0)=A·n·dVDdt(12-A·n·VD(t=0))···(11)]]>進(jìn)而，作為一般的值把二極管正向電壓Vd(t＝0)設(shè)為0.6V，而其溫度系數(shù)設(shè)為-2.0×10-3，則成為A×n＝7.013 …(12)其中，由于A＜1，n＝自然數(shù)，因而在滿足該(12)式的關(guān)系的解之中，得到以下的例解。
(n的選擇一般使成本、二極管的電壓下降或電源的自由度等成為最小值。)例解A＝0.876625，n＝8進(jìn)而，若使R2＝γR1，則從例解得出γ＝0.279。
如果所使用的電阻為24系列，則作為與該值最為接近的現(xiàn)實(shí)的組合，而選定以下的電阻值。
R1＝430Ω，R2＝120Ω對于R3、R4，為了能夠滿足上述的R3，R4＞＞R1，R2關(guān)系而設(shè)定比R1、R2的值大幾個(gè)量級的值，例如50kΩ以上的電阻值。
由此，來自R1、R2之間的流出、流入電流與流過R1、R2的電流相比變得充分小，從而例解與實(shí)際動(dòng)作的誤差成為可忽略的程度。
因此，可以進(jìn)行高精度的補(bǔ)償。
本發(fā)明的實(shí)施例不限于上述的構(gòu)成，當(dāng)然在不脫離本發(fā)明的思想的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求
1.一種電流傳感器，具備霍爾元件、放大所述霍爾元件的輸出電壓而產(chǎn)生傳感器輸出電壓的差動(dòng)放大器、以及產(chǎn)生用來補(bǔ)償所述霍爾元件的偏移電壓的補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路，且構(gòu)成為把所述補(bǔ)償電壓加算到所述霍爾元件的所述輸出電壓而輸入到所述差動(dòng)放大器，其特征在于，使所述補(bǔ)償電路構(gòu)成為具備由被串聯(lián)連接的多個(gè)二極管構(gòu)成的具有規(guī)定的溫度特性的二極管組，且產(chǎn)生與所述規(guī)定的溫度特性對應(yīng)的所述補(bǔ)償電壓，同時(shí)使所述規(guī)定的溫度特性基于由任意溫度的所述霍爾元件的非平衡電壓的值與伴隨所述霍爾元件的溫度變化的所述非平衡電壓的變化梯度的關(guān)系求得的近似直線的斜率而形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以簡單的構(gòu)成來補(bǔ)償偏移溫度漂移的電流傳感器。使補(bǔ)償電路(20、20A)構(gòu)成為具備由被串聯(lián)連接的多個(gè)二極管(D1a)構(gòu)成且具有規(guī)定的溫度特性的二極管組(D1)，從而產(chǎn)生根據(jù)規(guī)定的溫度特性的補(bǔ)償電壓(V
文檔編號(hào)G01R15/14GK1576857SQ20041005985
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者高畠成友 申請人:日本勝利株式會(huì)社