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1、第八章 霍爾傳感器 本章主要學(xué)習(xí)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(shù)中的應(yīng)用， 還涉及 交直流電流傳感器 以及 安全柵 。 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，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) 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為零時的情況 c d a b 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 較大時的情況 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)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片
2、時，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 磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 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 ， 實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， 這時的 霍爾電勢與法線的夾角的余弦 成正比 ： EH=KHIBcos 磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 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，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
3、勢為同頻率 的交變電勢 。 a c d b 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 ？（ 1T 104Gs） 線性區(qū) 霍爾元件的主要外特性參數(shù)（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(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) ？ 8 A 0.8mA 8mA 80mA 第二節(jié) 霍爾集成電路 霍
4、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 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)。 請畫出線性范圍 開關(guān)型霍爾集成電路 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）
5、等電路做在同一個芯片上。 當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點時， OC門 由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?； 當(dāng) 外加磁場強(qiáng)度低于釋放點時， OC門重新變 為高阻態(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、 單端輸出運放 霍爾 元件 . Vcc 開關(guān)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(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 干擾能力就 越強(qiáng)。 當(dāng)磁鐵 從遠(yuǎn)到近地接近霍爾 IC，到多少 特斯拉
6、時輸出翻轉(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。 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（高斯計） 霍爾元件 霍爾高斯計（特斯拉計）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 60 22 f
7、n 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 。 設(shè)該齒輪有 22個齒 S N 線性霍爾 磁鐵 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 。 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)速傳感器來檢測和保持車輪
8、的 轉(zhuǎn)動 ， 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)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 。 霍爾元件 磁鐵 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(zhǔn)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 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 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
9、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）葉片位置與點火正時的關(guān)系 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 (續(xù)） 汽車電子點火電路及波形 1 點火開關(guān) 2 達(dá)林頓晶體管功率開關(guān) 3 點火線圈低壓側(cè) 4 點火線圈鐵心 5 點火線圈高壓側(cè) 6 分火頭 7 火花塞 a）電路 b）霍爾 IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 (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火線圈的鐵心
10、中 。 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?，經(jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑?達(dá)林頓 管截止 ， 切斷點火線圈的低壓側(cè)電流 。由于沒 有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的 磁 場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出 3050kV的高電壓 。 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 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 ，其輸出信號控制電 樞電流的換向，維持電動機(jī)的 正常運轉(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
11、廣 泛的應(yīng)用。 普通直流電動機(jī)使 用的電刷和換向器 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) 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。 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 光驅(qū)用的無刷電動機(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
12、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 建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。 當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到 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?，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) 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， 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
13、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 E H=KI I 所實現(xiàn)的多媒體界面： 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 70.9A 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
14、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 電動機(jī)的相電流 霍爾式電流 諧波分析儀 被測電流的 諧波頻譜 鐵心的 開合縫隙 鐵心的 杠桿壓舌 霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo) 某型號霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo) 額定輸入電流： 300A 額定輸出電： 4 1% V 電源電壓： 15 5% V 失調(diào)電壓： 25 mV 失調(diào)電壓漂移： 1mV/ 線性度： 1%FS 響應(yīng)時間： 7S 絕緣電壓： 50HZ， 1min， 2.5 KV 工作溫度： -10 +70 匝數(shù)比： 1： 2000 閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路 霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計算 “匝數(shù)比” ： P S S P I I N N NP被定義為 “ 一次測線圈 ” 的匝數(shù)， 一般取 NP=1； NS為廠家所設(shè)定的 “ 二次側(cè)線圈的匝數(shù) ” 霍爾電流傳感器的計算 設(shè)某型號霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比 NP/NS=1/2000，標(biāo)準(zhǔn)額定電流值 IPN=300A，二 次側(cè)的負(fù)載電阻 RS=30。通電后，用電流表測 得二次側(cè)電流 IS=0.1A，求輸出到弱電回路的電 壓 US和被測電流 IP。 解： 1） US=RS IS=3V 2）根據(jù) 匝數(shù)比公 式被測電流 IP為： A20 0A1.020 00S P S I N NI P
傳感器課件-8霍爾傳感器
