霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。霍尔元件是一个N型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR.式中:UH—霍尔电压；RH—霍尔系数；d---霍尔元件的厚度；I---通过霍尔元件的电流;元件的宽度。从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小及方向。图:霍尔效应原理图霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化钢等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。霍尔元件的原理及应用2009-03-2420:17由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。2线性霍尔元件的原理及应用UGN350IT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350IT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单，先使B=0，记下表的示值VOH，再将探头端面贴在被测对象上，记下新的示值VOH1。△VOH=VOH1-VOH如果AVOH〉。，说明探头端面测得的是N极；反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V/T，由此即可测出相应的被测磁感应强度B。如果采用数字电压表(DVM),可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130O该电路的具体调零方式为：开启电源后，令B=0,调节W1使DVM的示值为零，然后用一块标准的钕铝硼磁钢(B=0.1T)贴在探头端面上，调节W2使DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV，则探头端面检测的是S极，磁场强度为0.02To本高斯计也可用来测量交变的磁场，不过DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。ISV康\数苧尚斯计用UGN3501T还可以十分方便地组成如图2所示的钳形电流表。将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线电流的安匝数；这个磁场作用于霍尔元件，感应出相应的霍尔电势，其灵敏度为7V/T，经过运放pA741调零，线性放大后送入DVM，组成数字式钳形电流表。该表的调试也十分简单：导线中的电流为零时，调节W1、W2使DVM的示值为零。然后输入50A的电流，调W3使DVM读数为5V；反向输入-50A电流，数字表示值为-5V。反复调节W1、W2、W3，读数即可符合要求。本钳形电流表经实验，其灵敏度不小于0.1V/A，同样，本电流表也可用于交流电流的测量，将DVM换成交流电压表即可，十分方便。

图2蛟字树形也流袅3开关型霍尔传感器的原理及应用开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图3看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。对于UGN3020BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80〜150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V〜24V。图3UGN3O2O功德特据■助族UGN3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出10个脉冲，脉冲经过分频后，用频率计即可测出被测对象的实际转速。用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路，该电路如图4所示。UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中，调整传感面的位置，即可调节其动作的起始磁场，图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替，可以组成无触点的过流保护电路。开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，