霍爾元件1.ppt

1、2020/8/2,1,機(jī)械工業(yè)出版社中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材 自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)第八章多媒體課件200951 更新,2020/8/2,2,第八章 霍爾傳感器,在這一章里，卡卡要給大家介紹霍爾傳感器的原理、特性、霍爾集成電路（霍爾IC）及其應(yīng)用。霍爾IC可以用于測量地球磁場，制成電羅盤；將霍爾IC夾在環(huán)形鐵心的缺口中，可以制成大電流變送器?；魻杺鞲衅鬟€廣泛用于高斯計(jì)、無刷電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)等?；魻杺鞲衅鞯淖畲筇攸c(diǎn)是非接觸測量。,最基本的霍爾元件是一種四端元件,第一節(jié) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理,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(shí)，在垂直于電流和磁場的

2、方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況,c,d,a,b,磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時(shí)的情況,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。霍爾電勢EH可用下式表示： EH=KH IB,霍爾效應(yīng)動(dòng)畫演示,當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d 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。,c,d,a,b,a,d,c,b,磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢與法線的夾角的余

3、弦成正比： EH=KHIBcos,磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢演示,結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。當(dāng)B的方向改變時(shí)，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，霍爾電勢為同頻率的交變電勢。,a,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？（1T104Gs）,線性區(qū),mV,B,霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）,最大激勵(lì)電流IM :,由于霍爾電勢隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)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(hào)的元件均規(guī)定了相

4、應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。,以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？ 8A 0.8mA 8mA 80mA,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(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(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，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,線性型霍爾特性,右圖示出了具有雙端差動(dòng)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(shí)，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(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場反向時(shí)，輸出為負(fù)。,請(qǐng)畫出線性范圍,開關(guān)型霍爾集成電路

5、,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(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，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)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路,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（OC門輸出）的接線,請(qǐng)按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.,開關(guān)型霍爾集成電路與繼電器的接線,?,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(dòng)干擾能力就越

6、強(qiáng)。,當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？,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(gè)變量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。 利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。 霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)換為磁場變化的其他物理量。,霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）,霍爾元件,霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用,霍爾元件,磁鐵,霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度,霍爾元件,測量鐵心 氣隙的B值,霍爾轉(zhuǎn)速表,在被測轉(zhuǎn)

7、速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)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(dòng)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(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。,S,N,線性霍爾,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表原理,當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。,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(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和保持車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。,帶有微型磁鐵的霍爾傳感器,鋼質(zhì),霍爾,霍爾轉(zhuǎn)

8、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(dòng)，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。,霍爾元件,磁鐵,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(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)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,霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理,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(shí)的關(guān)系,霍爾

9、式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）,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,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(shí)，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(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。,當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，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(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050k

10、V的高電壓。,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,霍爾式無刷電動(dòng)機(jī),霍爾式無刷電動(dòng)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(duì)位置，其輸出信號(hào)控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 由于無刷電動(dòng)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(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器,無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用,電動(dòng)自行車,可充電電池組,無刷電動(dòng)機(jī),無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用,無刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷

11、，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)。,電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路,去速度控制器,利用PWM調(diào)速,光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),霍爾式接近開關(guān),當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,霍爾式接近開關(guān),用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場。,當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑估^電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。,霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示,n,=,60,f,4,(r/min

12、),軟鐵分流翼片,開關(guān)型霍爾IC,T,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(shí)，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。,霍爾電流傳感器演示,鐵心,線性霍爾IC,EH=KI I,I,所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：,I,其他霍爾 電流傳感器,其他霍爾電流傳感器（續(xù)）,霍爾鉗形電流表（交直流兩用）,壓舌,豁口,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(shí)示值為零,70.9A,鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開， 導(dǎo)線由此穿過,霍爾鉗形 電流表演示,霍爾鉗形 電流表演示,霍爾鉗形 電流表演示,70.9A,2020/8/2,45,霍爾鉗形電流表,磁力線,磁力線,霍爾鉗形電流表的使用,被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心,手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開,將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中,將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？,霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）,叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便,用鉗形表測量