霍爾傳感器資料

霍爾傳感器資料第1頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理

磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0時：cdab

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第2頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理

磁感應(yīng)強(qiáng)度B↗時：

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：EH=KH

IB第3頁/共52頁cdab霍爾效應(yīng)演示:

當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。第4頁/共52頁

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詸z測磁場、電流及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點(diǎn)：霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理第5頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理

設(shè)圖中的材料是Ｎ型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在ｚ軸方向的磁場作用下，電子將受到一個沿ｙ軸負(fù)方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：

FL=Bqv第6頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理

在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個電場Ｅｈ，稱為霍爾電場。該電場的強(qiáng)度為Eh=vB

在A與B兩點(diǎn)間建立的電勢差稱為霍爾電壓，用UH表示UH=Ehb=vBb由上式知，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動速度，它隨載流體材料的不同而不同。

材料中電子在電場作用下運(yùn)動速度的大小常用載流子遷移率來表征第7頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理霍爾電壓UH=Ehb=vBb

所謂載流子遷移率，是指在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。用符號μ表示，μ=v/EI

其中EI是C、D兩端面之間的電場強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即:EI＝U/L。因此我們可以把電子運(yùn)動速度表示為v=μU/l。這時上式可寫為:第8頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理霍爾電壓UH=Ehb=vBb

當(dāng)材料中的電子濃度為n時，有如下關(guān)系式:I=nqbdv即:KH為霍爾靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小，KH=UH/IB，它的單位是mV/(mA·T)磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢:

UH=KHIBcos第9頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理通過以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)，霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。

d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。

控制電流恒定時磁場強(qiáng)度愈大則UH愈大。當(dāng)磁場改變方向時，UH也改變方向;如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。第10頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理霍爾元件的主要外特性參數(shù)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)第11頁/共52頁第一節(jié)霍爾傳感器的工作原理霍爾元件的主要外特性參數(shù)最大激勵電流IM

由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA

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霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

線性型三端霍爾集成電路第二節(jié)霍爾集成電路第13頁/共52頁

線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。第二節(jié)霍爾集成電路第14頁/共52頁

開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。

開關(guān)型霍爾集成電路第二節(jié)霍爾集成電路第15頁/共52頁OC門

施密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路

開關(guān)型霍爾集成電路第二節(jié)霍爾集成電路第16頁/共52頁開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性回差越大，抗振動干擾能力就越強(qiáng)。

開關(guān)型霍爾集成電路第二節(jié)霍爾集成電路第17頁/共52頁

請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線

開關(guān)型霍爾集成電路第二節(jié)霍爾集成電路第18頁/共52頁開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?第19頁/共52頁第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即

EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第20頁/共52頁霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件1特斯拉＝10,000高斯

1高斯＝1,000毫高斯

1微特斯拉＝10毫高斯

第21頁/共52頁霍爾傳感器用于測量磁感應(yīng)強(qiáng)度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值第22頁/共52頁霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第23頁/共52頁霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。第24頁/共52頁霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第25頁/共52頁霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F第26頁/共52頁霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時動力不足等缺點(diǎn)。汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭第27頁/共52頁霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時間準(zhǔn)確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片

2-槽口

3-分電器轉(zhuǎn)軸

4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片

b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時的關(guān)系

第28頁/共52頁霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。

汽車電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

第29頁/共52頁汽車電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成第30頁/共52頁霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器第31頁/共52頁無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)第32頁/共52頁無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。第33頁/共52頁電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路

去速度控制器

利用PWM調(diào)速第34頁/共52頁光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第35頁/共52頁霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。第36頁/共52頁霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。第37頁/共52頁霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT第38頁/共52頁霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。第39頁/共52頁霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現(xiàn)的多媒體界面：I第40頁/共52頁其他霍爾電流傳感器第41頁/共52頁其他霍爾電流傳感器（續(xù)）第42頁/共52頁霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口第43頁/共52頁霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70