Warum haben Hall-Effekt-Open-Loop-Stromsensoren typischerweise Ausgangsbereiche von 2,5 V ±0,625 V und 2,5 V ±2 V?

Der Grund für die Verbreitung der Ausgangsbereiche 2,5 V ±0,625 V und 2,5 V ±2 V bei Hall-Effekt-Open-Loop-Stromsensoren
liegt in ihrem Funktionsprinzip, der Versorgungsspannung und dem für die Anbindung an nachfolgende Analog-Digital-Wandler (ADCs) optimierten Design.

Die technischen Gründe für diese Standard-Ausgangsbereiche werden im Folgenden ausführlich erläutert.

1. Grund für den 2,5-V-Mittelpunkt (statische Ausgangsspannung)

2,5 V ist die Standard-Ausgangsspannung für Hall-Effekt-Stromsensoren im Nullstromzustand (oder statischen Zustand), oft bezeichnet als
Ruhespannung am Ausgang.

Fähigkeit zur bidirektionalen Messung:

Unipolare Stromversorgung: Die meisten modernen Hall-Effekt-Stromsensoren sind für den Betrieb mit einer unipolaren 5-V-Versorgung ausgelegt.

Einstellung des Mittelpunkts: Um bidirektionale Ströme (Vorwärts- und Rückwärtsrichtung) zu messen, muss der Nullstrom-Ausgang des Sensors auf die halbe Versorgungsspannung V_CC eingestellt werden, also 5 V / 2 = 2,5 V.

Funktionsmechanismus: Die Ausgangsspannung steigt von 2,5 V an, wenn Strom in Vorwärtsrichtung fließt, und fällt von 2,5 V ab, wenn Strom in Rückwärtsrichtung fließt.
Dieses Design stellt sicher, dass der gesamte Ausgangsbereich positive und negative Ströme in einem Ein-Versorgungs-System darstellen kann, ohne dass eine negative Spannung erforderlich ist.

2. Begründung für den Ausgangsbereich 2,5 V ±0,625 V

2,5 V ±0,625 V entspricht einem Ausgangsbereich von 1,875 V bis 3,125 V (insgesamt 1,25 V).
Die Wahl dieses Bereichs hängt eng mit der optimierten ADC-Schnittstelle und der Systemgenauigkeit zusammen.

Kompatibilität mit 3,3-V-Systemen und 10-Bit-ADCs:

ADC-Schnittstelle: Viele Mikrocontroller (MCUs) und DSPs verwenden 3,3 V für E/A-Spannungen und die ADC-Referenzspannung (V_REF).

Optimierung des ADC-Dynamikbereichs: Sensordesigner vermeiden die Nutzung des gesamten Bereichs von 0 V bis 5 V, um Sättigung zu verhindern.
Das Signal wird für eine optimale Auflösung an einem 3,3-V-ADC auf einen Bereich innerhalb von 3,3 V begrenzt.

Vorteil des 1,25-V-Spannungshubs: Ein Bereich von ±0,625 V bietet Sicherheitsreserven, verhindert Clipping und erhält eine hohe Linearität in 3,3-V-Systemen.

ADC-Auflösung: Dieser Spannungshub kann an ADC-Auflösungen (z. B. 10 Bit oder 12 Bit) angepasst werden, um den Quantisierungsfehler bei Nennstrom zu minimieren.

3. Gründe für den Ausgangsbereich 2,5 V ±2 V

2,5 V ±2 V entspricht 0,5 V bis 4,5 V (Gesamtspannungshub 4 V). Dieser Bereich maximiert den Signaldynamikbereich und verbessert die Störfestigkeit.

Maximierung des Dynamikbereichs und der Störfestigkeit:

Nahe an Rail-to-Rail: Der Bereich von 0,5 V bis 4,5 V deckt nahezu den gesamten nutzbaren Bereich bei einer 5-V-Versorgung ab.

Höhere Empfindlichkeit: Mit einem 4-V-Hub werden die Empfindlichkeit (mV/A) und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert, wodurch die Messgenauigkeit steigt.

Reserveabstand: Ein Headroom von 0,5 V an beiden Enden vermeidet nichtlineare Sättigung nahe 0 V und 5 V unter extremen Bedingungen.

Zusammenfassung und Vergleich

Diese beiden Ausgangsbereiche stellen unterschiedliche Design-Kompromisse zwischen Genauigkeit/Kompatibilität und
Dynamikbereich/Störfestigkeit für Hall-Effekt-Stromsensoren dar.