霍尔开关工作原理与应用

《霍尔开关工作原理与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《霍尔开关工作原理与应用（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、霍尔开关工作原理一、原理简介当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势 U，其表达式为U=KIB/d其中 K 为霍尔系数，I 为薄片中通过的电流，B 为外加磁场（洛伦慈力 Lorrentz）的磁感应强度，d 是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度

2、 B 来表征的，当 B 值达到一定的程度（如 B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有 NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。二、内部原理图三、输入/输出的转移特性霍尔集成电路的应用218.94.136.*1 楼1 引言 霍尔集成电路是一种磁敏传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使

3、用。霍尔集成电路以霍尔效应为其工作基础。 霍尔集成电路具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 按照霍尔集成电路的功能可将它们分为:霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路。前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性集成电路的精度高、线性度好；霍尔开关集成电路无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 通过霍尔集成电路将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度

4、、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 2 霍尔效应和霍尔集成电路 2.1 霍尔效应 如图 1 所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场 B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图 1 中的 VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在 1879 年发现的。VH 称为霍尔电压。 2.2 霍尔器件 霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。 2.2.1 霍尔元件 在片子上作四个电极，其中 C1、C2 间通以工作电流

5、I，C1 、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压 VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 InSb 和 GaAs 霍尔元件输出特性见图 1 霍尔元件的输出特性 这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。 2.2.2 霍尔集成电路 2.2.2.1 霍尔线性集成电路 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B 成比例，它的功能框图和输出特性

6、示于图 2 和图 3。 这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的性能参数见表 3。 图 2 霍尔线性电路 UGN3501 的磁电转换特性曲线 图 3 霍尔线性电路的功能框图 型号 Vcc V 线性范围 mT 工作温度 灵敏度 S/mV/mT 静态输出电压 Vo/V min mid max min mid max UGN3501 812 100 2085 3.5 7.0 2.5 3.6 5.0 UGN3503 4.56 90 2085 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 型号 IOUT/mA Ro/k Icc/mA 乘积灵敏度 V/A0.1T

7、输出形式 引脚排列 外形结构 typ max 1 2 3 4 UGN3501 4.0 0.1 10 20 射极输出 VCC 地 输出 CI/P 2009-5-3 08:02 回复 218.94.136.*2 楼UGN3503 0.05 9.0 14 射极输出 VCC 地 输出 CI/P 表 3 霍尔线性电路的特性参数 2.2.2.2 霍尔开关集成电路 霍尔开关集成电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值 BOP 时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B 再增加，仍保持导通态。若外加磁场的 B 值降低到 BRP

8、时，输出管截止，输出高电平。我们称 BOP 为工作点，BRP 为释放点，BOPBRP=BH 称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图 4。图 4(a)表示集电极开路(OC) 输出， (b)表示双输出。它们的输出特性见图 5，图 5(a)表示普通霍尔开关， (b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。 (a) 单 OC 输出 (b)双 OC 输出 图 4 霍尔开关集成电路的功能框图 (a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性 图 5 霍尔开关集成电路的输出特性 一般规定，当外加磁场的南极(S 极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近

9、标志面时为负。 锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场 B 正向增加，达到 BOP 时，电路导通，之后无论 B 增加或减小，甚至将 B 除去，电路都保持导通态，只有达到负向的 BRP 时，才改变为截止态，因而称为锁定型。霍尔开关电路的性能参数见表 4。 表 4 霍尔开关电路的特性参数 mT Icc mA Io mA Vo sat Ioff 型号 VCC V Bop mT BRP mT BH A 备注 CS1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 CS1028 4.524 2830 3028 2 9 25 0.4 10 CS2018 4.020 1020 2010 6

10、30 300 0.6 10 互补输出 CS302 3.524 06 60 6 9 5 0.4 10 UGN3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 A3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 UGN3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 A3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 UGN3175 4.524 125 2510 2 8 50 0.4 10 锁定 2.2.2.3 差动霍尔集成电路(双霍尔集成电路 ) 它的霍尔电压发生器由一对相距 2.5mm 的霍尔元件组成，其功能框图见图

11、 6。 图 6 差动霍尔电路的工作原理图 使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。 2.2.2.4 其它霍尔集成电路 除上述各种霍尔器件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔集成电路，如功率霍尔集成电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等。 霍尔集成电路 的应用 3.1 应用的一般问题 3.1.1 测量磁场 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏

12、感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。 2009-5-3 08:02 回复 218.94.136.* 3 楼3.1.2 工作磁体的设置 用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个 542.5（mm3）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约 2300 高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔

13、器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；旋转；(d)遮断。如图 7 所示，图中的 TEAG 即为总有效工作气隙。 图 7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式 在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，

14、当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在 125的温度范围内，翼片的位置重复精度可达 50m。 图 8 在霍尔器件背面放置磁体 也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。 3.1.3 与外电路的接口 霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的 NPN 晶体管，其使用规则和任何一种相似的 NPN 开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几 nA，可以忽略，输出电压和其电

15、源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为 20mA），以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。 以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在 Io 为 20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降 VLED=1.4V，当电源电压 VCC=12V 时，所需的负载电阻器的阻值（4） 和这个阻值最接近的标准电阻为 560，因此，可取 560 的电阻器作为负载电阻器。 用图 9 表示简化了的霍尔开关电路，图 10 表示与各种电路的接口：（a）与 TTL 电路；(b)与 CMOS 电路；与 LED；(d)与晶闸管。 图 10 霍尔开关与电路接口举例 。 3.2 应用实例 下面我们将举出一些应用实例。这些例子仅是该类应用中的一种，用同样的原理和方