霍尔传感器课件-2

1、霍尔传感器课件_2霍尔传感器课件_2 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的方向上将产生电动势EH，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。 第一节 霍尔元件的结构及工作原理9/16/20222 一、霍尔元件的结构及工作原理 第一节 霍尔元件的结构二、霍

2、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。ababccdd外形结构符号a、b为输出端 c、d为电极9/16/20223二、霍尔元件的外形、结构、符号 霍尔元件属于磁感应强度B为零时的情况三、霍尔元件的演示9/16/20224磁感应强度B为零时的情况三、霍尔元件的演示9/10/2022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EH可用下式表示： EH=KH IB9/16/20225磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用

3、，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。cdab9/16/20226霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力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（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos 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。 9/16/20227磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 一、任何材料在一定条件下

4、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KH=EH /（IB）第二节 霍尔元件的主要外特性参数9/16/20228一、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四、最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是0.120.12T线性区9/16/20229四、最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线五、最大激励电流IM : 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

5、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。 9/16/202210五、最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而六、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RP1 RP2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。 ABRp1Rp2AB9/16/202211六、霍尔元件的连接 为了获得较大的霍尔电动势，当元件的工 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

6、、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9/16/202212 第三节 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为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。 线性范围 -0.3 -0.2 -0.10 0.1 0.2 0.31.51.00.5-0.5-1.0-1.5B/TUo/V9/16/2022

7、132、线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性二、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UGN3020、3518等。9/16/202214二、开关型霍尔集成电路1、结构 开关2、开关型霍尔集成电路（OC门输出） 与继电器的接线虚线框为三端霍尔集成电路，分别是+VCC GND稳压H KAA+VCCUbRbUoVDGNDUo9

8、/16/2022152、开关型霍尔集成电路（OC门输出） 与继电器的接线虚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0.006104（Gs）。 9/16/2022163、开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大 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 EH=KHIBcos 。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

9、传感器有许多用途。9/16/202217 第三节 霍尔传感器的应用 霍尔电一、角位移测量仪：霍尔电动势EH 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。 9/16/202218一、角位移测量仪：霍尔电动势EH 反映了角度 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。SN线性霍尔磁铁9/16/202219二、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也霍尔

10、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IC T9/16/202220霍尔式接近开关用于转速测量演示(r/min)软铁分流翼片 开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。磁铁霍尔元件9/16/202221霍尔转速表测量过程： 当齿对准霍尔元件时，磁力线三、霍尔转速传感器测力：在汽车防抱死装置 （ABS）中的应用 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于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔9/16/

11、202222三、霍尔转速传感器测力：在汽车防抱死装置 （ABS）中的霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火线圈 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。 高压输出接头12V低压电源输入接头9/16/202223霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火线圈 采用霍尔式无触点汽车电子点火装置 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 a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形 9/16/202224霍尔式无触点汽车电子点火装置 1点火开关 2达林顿晶霍尔式无触点汽车电子

12、点火装置 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。 9/16/202225霍尔式无触点汽车电子点火装置 当叶片遮挡在霍尔四、霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件9/16/202226四、霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件9/10/202228霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件磁

13、铁9/16/202227霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件磁铁9/10/2022霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件测量铁心气隙的B值9/16/202228霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件测量铁心气隙的B值9/1五、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。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。 普通直流电动机使用的电刷和换向器9/16/202229五、霍尔式无刷电动机 霍尔式

14、无刷电动机取消了换向无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电电池组无刷电动机9/16/202230无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电电池组无刷电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。9/16/202231无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷电动自行车的无刷电动机及控制电路 去速度控制器 利用PWM调速9/16/202232电动自行车的无刷电动机及控制电路 去速度控制器 利用PW光驱用的无

15、刷电动机内部结构9/16/202233光驱用的无刷电动机内部结构9/10/202235六、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。9/16/202234六、霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到霍尔式接近开关 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。 9/16/202235霍尔式接近

16、开关 用霍尔IC也能完成接近开关的功能七、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。9/16/202236七、霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔电流传霍尔电流传感器铁心 线性霍尔IC EH=KH IB I所实现的多媒体界面I9/16/202237霍尔电流传感器铁心 线性霍尔IC EH=KH IB I所实现其他霍尔 电流传感器9/16/202238其他霍尔 电流传感器9/10/202240其他霍尔电流传感器9/16/202239其他霍尔电流传感器9/10/20224