第八章霍尔传感器

1、第八章,章节导入：,霍尔传感器,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁,场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂,直于电流和磁场的方向上将产生电动势,E,H,，这种,现象称为霍尔效应。可以制成大电流传感器。用,于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量。,为非接触测量。,本章要点：,1,、霍尔传感器,的工作原理,2,、霍尔集成电路的特性掌握开关型的接线。,3,、霍尔传感器,的应用,。,2020/3/29,1,第一节,霍尔元件的结构及工作原理,一、霍尔元件的结构及工作原理,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，,磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在,垂直于电流和磁场

2、的方向上将产生电动势,E,H,，这,种现象称为霍尔效应。霍尔传感器属于磁敏元件，,磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是,把磁学物理量转换成电信号。,随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用,和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、,生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测,量。,特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿,命长。,2020/3/29,2,二、霍尔元件的外形、结构、符号,霍尔元件属于四端元件目前常用的霍尔元件,材料是,N,型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树,脂等制造。,d,d,a,a,b,c,c,、,d,为电极,3,b,c,符号,外形,结构,a,、,b,为输出端,2020

3、/3/29,三、霍尔元件的演示,磁感应强度,B,为零时的情况,2020/3/29,4,磁感应强度,B,较大时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度,B,越强，霍尔电,势也就越高。霍尔电势,E,H,可用下式表示：,E,H,=,K,H,IB,2020/3/29,5,霍尔效应演示,d,a,b,c,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的,作用，向内侧偏移，在半导体薄片,c,、,d,方向的端,面之间建立起霍尔电势。,2020/3/29,6,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度,B,不垂直于霍尔元件，而是与其法,线成某一角度,?,时，实际上作用于霍尔元件上的有效,磁感应强度是其法线方向（与薄片垂

4、直的方向）的分,量，即,B,cos,?,，这时的霍尔电势为,E,H,=,K,H,IB,cos,?,结论：霍尔电势与输入电流,I,、磁感应强度,B,成正,比，且当,B,的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。,如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率,的交变电势。,2020/3/29,7,第二节,霍尔元件的主要外特性参数,一、任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但,不是都可以制造霍尔元件，,半导体材料电阻非常适,于做霍尔元件。,二、,所以霍尔元件做的较薄，通常近似,1,微米,(d1m) 。,三、灵敏度,K,H,=E,H,/,（,IB,）,2020/3/29,8,四、最大磁感应强度,B,M

5、,线性区,上图所示霍尔元件的线性范围是,0.12,0.12T,2020/3/29,9,五、最大激励电流,I,M,:,由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在,应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流,增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，,从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的,元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从,几毫安至十几毫安。激励电流,2mA 80mA,的数值较,为妥当。,2020/3/29,10,六、霍尔元件的连接,为了获得较大的霍尔电动势，当元件的工作电流是直,流时，可以把元件的输出串联，电极并联调节,R,P1,R,P2,使两,个霍尔元件的电动势相等，输出即为单个霍尔

6、电动势的,2,倍。,图,a,为正确解法，图,b,为错误接法，此接法导致霍尔元件不,能正常工作。,R,p1,R,p2,A,A,B,B,2020/3/29,11,第三节,霍尔集成电路,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,一、线性型集成电路,1,、结构：,是将霍尔元件和恒流源、,线性差动放大器等做在一个芯,片上，输出电压为伏级，比直,接使用霍尔元件方便得多。较,典型的线性型霍尔器件如,UGN3501,等。,线性型三端,霍尔集成电路,2020/3/29,12,2,、线性型霍尔特性,右图示出了具有双,端差动输出特性的线性,霍尔器件的输出特性曲,线。当磁场为零时，它,的输出电压等于零；当,感受的磁场

7、为正向（磁,钢的,S,极对准霍尔器件,的正面）时，,输出为,正；磁场反向时，输出,为负。,2020/3/29,Uo/V,1.5,1.0,0.5,-0.3 -0.2 -0.10 0.1 0.2 0.3,B/T,-0.5,-1.0,-1.5,线性范围,13,二、开关型霍尔集成电路,1,、结构,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电,路、放大器、施密特触发器、,OC,门（集电极开路,输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强,度超过规定的工作点时，,OC,门由高阻态变为导通,状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放,点时，,OC,门重新变为高阻态，输出高电平。较典,型的开关型霍尔器件如,UGN

8、3020,、,3518,等。,2020/3/29,14,2,、开关型霍尔集成电路（,OC,门输出）,与继电器的接线,稳压,VD,H,+,U,b,+V,CC,KA,A,R,b,GND,U,o,虚线框为三端霍尔集成电路，分别是,+V,CC,U,o,GND,2020/3/29,15,3,、开关型霍尔集成电路的史密特输出特性,回差越,大，抗振动,干扰能力就,越强。,当磁铁从远到近地接近霍尔,IC,，到,0.023,特斯拉,时输出翻转。当磁铁从近到远地远离霍尔,IC,，到,0.017,特斯拉时输出再次翻转，回差为,0.006,特斯拉相,当于,0.006,10,4,（,Gs,）。,2020/3/29,16

9、,第三节,霍尔传感器的应用,霍尔电势是关于,I,、,B,、,?,三个变量的,函数，即,E,H,=,K,H,IB,cos,?,。利用这个关系可,以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，,或者固定其中一个量，其余两个量都作为变,量。这使得霍尔传感器有许多用途。,2020/3/29,17,一、角位移测量仪：霍尔电动势,E,H,反映了角度,测量角位移已经接触过电位器传感器，为接触,测量还有霍尔传感器和角编码器都属于非接触测量。,2020/3/29,18,二、霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机,械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统,靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改

10、变而,周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、,放大、整形后可以确定被测物的转速。,f,n,?,60,线性霍尔,22,N,S,磁铁,2020/3/29,19,霍尔式接近开关用于转速测量演示,f,n,?,60,4,(,r,/min),T,软铁分流翼片,开关型霍尔,IC,霍尔转速表测量过程：,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元,件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出,高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输,出为低电平。,霍尔元件,磁铁,2020/3/29,21,三、霍尔转速传感器测力：在汽车防抱死装置,（,ABS,）中的应用,带有微,型磁铁,的霍尔,传感器,钢质,霍尔,若

11、汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。,用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助,于控制刹车力的大小。,2020/3/29,22,霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火,线圈,高压输出,接头,12V,低压电源输,入接头,采用霍尔式无,触点电子点火装置,能较好地克服汽车,合金触点点火时间,不准确、触点易烧,坏、高速时动力不,足等缺点。,2020/3/29,23,霍尔式无触点汽车电子点火装置,a,）电路,b,）霍尔,IC,及点火线圈高压侧输出波形,1,点火开关,2,达林顿晶体管功率开关,3,点火线圈低压侧,4,点火,线圈铁心,5,点火线圈高压侧,6,分火头,7,火花塞,霍尔式无触点汽车电子点火装置,

12、当叶片遮挡在霍尔,IC,面前时，,PNP,型霍尔,IC,的,输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点,火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形,式储存在点火线圈的铁心中。,当叶片槽口转到霍尔,IC,面前时，霍尔,IC,输出跳,变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，,切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，,所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感,应出,3050kV,的高电压。,四、霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,2020/3/29,26,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,2020/3/29,27,霍尔传感器用于测量磁场强度,测量铁心气隙的,B,值,2020

13、/3/29,霍尔元件,28,五、霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换,向器和电刷，而采用霍尔元件来,检测转子和定子之间的相对位置，,其输出信号经放大、整形后触发,普通直流电动机使用,电子线路，从而控制电枢电流的,的电刷和换向器,换向，维持电动机的正常运转。,由于无刷电动机不产生电火花及,电刷磨损等问题，所以它在录像,机、,CD,唱机、光驱等家用电器中,得到越来越广泛的应用。,2020/3/29,29,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,无刷电动机,可充电电池组,2020/3/29,30,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机,的外转子采用高性能,钕铁硼稀土永磁材料；,三个

14、霍尔位置传感器,产生六个状态编码信,号，控制逆变桥各功,率管通断，使三相内,定子线圈与外转子之,间产生连续转矩，具,有效率高、无火花、,可靠性强等特点。,2020/3/29,31,电动自行车的无刷电动机及控制电路,利用,PWM,调,速,去速度,控制器,2020/3/29,32,光驱用的无刷电动机内部结构,2020/3/29,33,六、霍尔式接近开关,当磁铁的有效磁极接,近、并达到动作距离时，,霍尔式接近开关动作。霍,尔接近开关一般还配一块,钕铁硼磁铁。,2020/3/29,34,霍尔式接近开关,用霍尔,IC,也能完成接近开关的功能，但是它只能,用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭,合磁场。,在右图中，当磁,铁随运动部件移动到距,霍尔接近开关几毫米时，,霍尔,IC,的输出由高电平,变为低电平，经驱动电,路使继电器吸合或释放，,控制运动部件停止移动,（否则将撞坏霍尔,IC,）,起到限位的作用。,2020/3/29,35,七、霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测,孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，,磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔,元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,2020/3/29,36,霍尔电流传感器,铁心,所实现的,多媒体界面,线性霍尔,IC,2020/3/29,