第八章霍尔传感器

1、2022-5-111第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 章节导入：章节导入： 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种，这种现象称为霍尔效应。可以制成大电流传感器。用现象称为霍尔效应。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。于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量。为非接触测量。为非接触测量。 本章要点：本章要点：1、霍尔传感器、霍尔传感器 的工作原理的工作原理

2、2、霍尔集成电路的特性掌握开关型的接线。、霍尔集成电路的特性掌握开关型的接线。3、霍尔传感器、霍尔传感器 的应用的应用。2022-5-112 一、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半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这，这种现象称为霍尔效应。种现象称为霍尔效应。霍尔传感器属于磁敏元件，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，磁敏传感器是磁敏元件也是基于磁电转

3、换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。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、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、振动测生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。命长。 第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理2022-5-113二、霍尔元件的外形二、霍尔元件的外形、结构、符号、结构、符号 霍尔元件属于四端元件目前常用的霍尔

4、元件霍尔元件属于四端元件目前常用的霍尔元件材料是材料是N N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。脂等制造。a ab ba ab bc cc cd dd d外形外形结构结构符号符号a a、b b为输出端为输出端 c c、d d为电极为电极2022-5-114磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况三、霍尔元件的演示三、霍尔元件的演示2022-5-115磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示

5、：可用下式表示： EH=KH IB2022-5-116霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端方向的端面之间建立起霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b2022-5-117磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，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

6、片垂直的方向）的分磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H= =K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正成正比，且当比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。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。的交变电势。 2022-5-118一、任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但一、任何材料在一定条件下都能产生霍尔电

7、势，但不是都可以制造霍尔元件，不是都可以制造霍尔元件， 半导体材料电阻非常适半导体材料电阻非常适于做霍尔元件。于做霍尔元件。 二、二、 所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米( (d1m) d1m) 。三、灵敏度三、灵敏度K KH H=E=EH H / /（IBIB）第二节第二节 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数2022-5-119四、最大四、最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是0.120.12T线性区线性区2022-5-1110五、最大五、最大激励电流激励电流IM : : 由于霍尔电势随激励

8、电流增大而增大，故在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，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。激励电流几毫安至十几毫安。激励电流2mA 80mA2mA 80mA的数值较的数值较为妥当。为妥当。 2022-5-1111六、霍尔元件的连接六、霍尔元件的连接 为了获得较大的霍尔电动势，当

9、元件的工作电流是直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，电极并联调节流时，可以把元件的输出串联，电极并联调节R RP1P1 R RP2P2使两使两个霍尔元件的电动势相等，输出即为单个霍尔电动势的个霍尔元件的电动势相等，输出即为单个霍尔电动势的2 2倍。倍。图图a a为正确解法，图为正确解法，图b b为错误接法，此接法导致霍尔元件不为错误接法，此接法导致霍尔元件不能正常工作。能正常工作。 A AB BR Rp1p1R Rp2p2A AB B2022-5-1112 第三节第三节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为

10、线性型和开关型两大类。 一、线性型集成电路一、线性型集成电路1 1、结构：、结构： 是将霍尔元件和恒流源、是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路2022-5-11132 2、线性型霍尔特性、线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁

11、场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时， 输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。 线性范围线性范围 -0.3 -0.2 -0.10 0.1 0.2 0.3 -0.3 -0.2 -0.10 0.1 0.2 0.31.51.51.01.00.50.5-0.5-0.5-1.0-1.0-1.5-1.5B/TB/TUoUo/V/V2022-5-1114二、开关型霍尔集成电路二、开关型霍尔集成电路1 1、结构、结构 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电开关型霍尔

12、集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路门（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，度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通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状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件型的开关型霍尔器件如如UGN3020、3518等。等。2022-5-11152 2、开关型霍尔集成电路（、开关型霍尔集成电路（

13、OCOC门输出）门输出） 与继电器的接线与继电器的接线虚线框为三端霍尔集成电路，分别是虚线框为三端霍尔集成电路，分别是+V+VCC CC GNDGND稳压稳压H H KA KAA A+ +V+VCCCCU Ub bR Rb bU Uo oVDVDGNDGNDU Uo o2022-5-11163 3、开关型霍尔集成电路的史密特输出特性、开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动大，抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到，到0.023特斯拉特斯拉时输出翻转。当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转。当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到

14、，到0.017特斯拉时输出再次翻转，回差为特斯拉时输出再次翻转，回差为0.006特斯拉相特斯拉相当于当于0.006104（Gs）。）。 2022-5-1117 第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的三个变量的函数，即函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变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作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。2022-5-1118一、角位移测量仪：霍尔

15、电动势一、角位移测量仪：霍尔电动势EH 反映了角度反映了角度 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。测量还有霍尔传感器和角编码器都属于非接触测量。 2022-5-1119二、霍尔转速表二、霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机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变而靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微

16、小脉冲信号经隔直、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。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔式接近开关用于转速测量演示(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T460fn 2022-5-1121霍尔转速表霍尔转速表测量过程：测量过程： 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元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，输高电平；反之，当

17、齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。出为低电平。磁铁磁铁霍尔元件霍尔元件2022-5-1122三、霍尔转速传感器测力：在汽车防抱死装置三、霍尔转速传感器测力：在汽车防抱死装置 （ABSABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。若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。于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔2022-5-1123霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火线圈线圈 采用霍尔式无采用

18、霍尔式无触点电子点火装置触点电子点火装置能较好地克服汽车能较好地克服汽车合金触点点火时间合金触点点火时间不准确、触点易烧不准确、触点易烧坏、高速时动力不坏、高速时动力不足等缺点。足等缺点。 高压输出高压输出接头接头12V低压电源输低压电源输入接头入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火点火线圈铁心线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 霍尔式无触点汽

19、车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点输出为低电平，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。式储存在点火线圈的铁心中。 当叶片槽口转到霍尔当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔面前时，霍尔IC输出跳输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，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，切断点火线圈的低压侧电

20、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所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出应出3050kV的高电压。的高电压。 2022-5-1126四、霍尔特斯拉计（高斯计）四、霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件霍尔元件2022-5-1127霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2022-5-1128霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心气隙的测量铁心气隙的B值值2022-5-1129五、霍尔式无刷电动机五、霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而

21、采用霍尔元件来向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。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，所以它在电刷磨损等问题，所以它在录像录像机、机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。得到越来越广泛的应用。 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器2022-5-1130无刷电动机在电动自行车上的应用

22、无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电电池组可充电电池组无刷电动机无刷电动机2022-5-1131无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕钕铁硼稀土永磁材料铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内率管通断，使三相内定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具间产生连续转矩，具有效率高、无火花、有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。2022-5-1132电动自行车的

23、电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调调速速2022-5-1133光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构2022-5-1134六、霍尔式接近开关六、霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕钕铁硼铁硼磁铁。磁铁。2022-5-1135霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能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用于铁磁材料的检测