第6章霍爾傳感器

:1.壓電式傳感器本節(jié)主要內容:1.霍爾傳感器2023/7/71第6章霍爾傳感器

本章主要學習霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的應用，還涉及磁場測量技術。

霍爾元件是一種四端元件2023/7/72第一節(jié)霍爾元件的結構及工作原理

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab2023/7/73磁感應強度B較大時的情況

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：

EH=KHIB2023/7/74霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab2023/7/75磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。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。

2023/7/76霍爾元件的主要外特性參數

最大磁感應強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)1T=104G2023/7/77霍爾元件的主要外特性參數（續(xù)）

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)定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？5μA0.1mA2mA80mA2023/7/78第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類。

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2023/7/79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。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。請畫出線性范圍2023/7/710開關型霍爾集成電路

開關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。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。2023/7/711開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門

施密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc2023/7/712開關型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線

請按以下電路，將下一頁中的有關元件連接起來.2023/7/713開關型霍爾集成電路

與繼電器的接線?開關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。

當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？相當于多少高斯（Gs）？2023/7/715第三節(jié)霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數，即EH=KHIBcos

。利用這個關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。2023/7/716霍爾特斯拉計（高斯計）霍爾元件2023/7/717霍爾高斯計（特斯拉計）的使用霍爾元件磁鐵2023/7/718霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾元件測量鐵心氣隙的B值2023/7/719霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉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隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵2023/7/720霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。2023/7/721霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(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霍爾2023/7/722霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號?；魻栐盆F2023/7/723霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭2023/7/724霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、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系c）葉片位置與點火正時的關系

2023/7/725霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）

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

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關2—達林頓晶體管功率開關3—點火線圈低壓側4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形

當葉片槽口轉到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，經反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側感應出30~50kV的高電壓。

2023/7/726汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成2023/7/727霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。普通直流電動機使用的電刷和換向器2023/7/728無刷電動機在電動自行車上的應用電動自行車可充電電池組無刷電動機2023/7/729電動自行車的無刷電動機及控制電路

去速度控制器

利用PWM調速2023/7/730光驅用的無刷電動機內部結構2023/7/731霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2023/7/732霍爾式接近開關

用霍爾IC也能完成接近開關的功能，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的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。2023/7/733霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT2023/7/734霍爾電流傳感器

將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產生與電流成正比的霍爾電壓。2023/7/735霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現的多媒體界面：I2023/7/736其他霍爾電流傳感器2023/7/737其他霍爾電流傳感器（續(xù)）2023/7/738霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2023/7/739霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零70.9A20