模塊九霍爾傳感器

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9/5/20251

霍爾元件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。

霍爾傳感器是一種基于霍爾效應的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。9/5/20252單元一霍爾元件的工作原理及特性

磁感應強度B較大時cdabcdab磁感應強度B為零時9/5/20253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=KHIBKH—霍爾靈敏度KH==RH/δ

（霍爾系數RH=μ*ρ即霍爾材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積，δ為霍爾片的厚度）

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。

9/5/20254霍爾效應演示

當磁場垂直于半導體薄片時，電子受到洛侖茲力FL的作用，向內側偏移，電子同時受到該電場力FE的作用，兩種力的方向恰好相反，電子積累越多，FE越大，而FL不變，當|FL|=|FE|時，電子積累達到動態(tài)平衡，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電動勢。cdab9/5/20255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。

9/5/20256

霍爾元件材料金屬導體與絕緣體霍爾效應非常微弱，不易做成霍爾元件。半導體材料N型比P型靈敏度高，目前霍爾元件常用材料是N型硅。銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）、鍺（Ge）也是常用的霍爾元件材料。砷化鎵（GaAs）是新型的霍爾元件材料。

因此霍爾傳感器是比較典型的半導體傳感器，通常用于非接觸式測量。9/5/20257霍爾元件的主要特性參數

最大磁感應強度BM

右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？9/5/20258最大激勵電流IM

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(以霍爾元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流)，它的數值從幾毫安至幾十毫安。

一般的GaAs霍爾元件對激勵電流有限制，不大于10mA，典型為1mA。

9/5/202599/5/2025109/5/202511

不等位電動勢

在額定激勵電流下，外加磁場為零時霍爾元件輸出端的開路電壓稱為不等位電動勢。一般是由四個電極焊接不對稱、厚薄不均勻等幾何因素引起的，多用電橋法利用電位器調零。

霍爾輸入電阻

霍爾激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。環(huán)境溫度變化，引起輸入電阻變化，霍爾元件的激勵電流變化，最終引起霍爾電動勢產生誤差，為減少這種溫漂現象，常采用恒流源作為激勵源。9/5/202512

單元二集成霍爾傳感器

集成霍爾傳感器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9/5/202513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時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。線性型霍爾集成電路常用于相關參數測量。

請畫出線性范圍9/5/202514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、斯密特觸發(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)榈碗娖剑划斖饧哟艌鰪姸鹊陀卺尫劈c時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。開關型霍爾集成電路常用于控制或作接近開關。較典型的開關型霍爾器件UGN3020等。9/5/202515

開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門

斯密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc9/5/202516開關型霍爾集成電路的斯密特輸出特性

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）？9/5/2025179/5/202518

單元三

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。9/5/202519一、霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件9/5/202520霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵9/5/202521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9/5/202522二、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(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9/5/202523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。9/5/202524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F9/5/202525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9/5/202526三、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9/5/202527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

9/5/202528

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。

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。

9/5/202529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

9/5/202530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9/5/202531四、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9/5/202532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9/5/202533

無刷直流電動機的外轉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，使三相內定子線圈與外轉子之間產生連續(xù)轉矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。9/5/202534電動自行車的無刷電動機及控制電路光驅用的無刷電動機9/5/202535五、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。9/5/202536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，起到限位的作用。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ICT9/5/202538六、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。9/5/202539霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II9/5/202540霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口9