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?；魻栐且环N四端元件2/6/20231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cdab2/6/20232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=KHIB2/6/20233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弦成正比：

EH=KHIBcos

2/6/20235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。acdb2/6/20236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)2/6/20237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2/6/20239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2/6/202310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）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?；?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。2/6/202311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.2/6/202313開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?2/6/202314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）？2/6/202315霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件2/6/202317霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵2/6/202318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2/6/202319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。2/6/202321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2/6/202322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(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2/6/202323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

2/6/202325霍爾式無觸點(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

2/6/202326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)榈碗娖剑_(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30~50kV的高電壓。

2/6/202327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2/6/202329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)2/6/202330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，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)。2/6/202331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2/6/202332光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2/6/202333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。2/6/202334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?，使繼電器吸合或釋放，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。

2/6/202335霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT2/6/202336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。2/6/202337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：I2/6/202338其他霍爾電流傳感器2/6/202339其他霍爾電流傳感器（續(xù)）2/6/202340霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2/6/202341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)示值為零70.9A2/6/202342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70.9A2/6/202343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？2/6/202344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(dòng)機(jī)的相電流2/6/202345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2/6/202346霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)

某型號(hào)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：25mV

失調(diào)電壓漂移：≤±1mV/℃

線性度：≤1%FS

響應(yīng)時(shí)間：≤7μS

絕緣電壓：50HZ，1min，2.5KV

工作溫度：-10～+70℃

匝數(shù)比：1：2000

2/6/202347閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路2/6/202348霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算

“匝數(shù)比”：

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)”2/6/202349霍爾電流傳感器