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1、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安全柵。 霍爾元件是一種四端元件 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 ， 在 垂 直 于 電流 和 磁 場 的 方 向 上 將 產(chǎn) 生 電 動 勢 EH， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況c da b 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B 較 大 時 的 情 況

2、 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=KH IB 霍 爾 效 應(yīng) 演 示 當(dāng) 磁 場 垂 直 于 薄 片 時 ， 電 子 受 到 洛 侖 茲 力 的 作 用 ， 向 內(nèi) 側(cè) （ d側(cè) ） 偏 移 ， 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 c、 d方 向 的 端 面之 間 建 立 起 霍 爾 電 勢 。 c da b 磁 場 不 垂 直 于 霍 爾 元 件 時 的 霍 爾 電 動 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

3、 時 ， 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 的 霍 爾 電 勢 與 法 線 的 夾 角 的 余 弦 成 正 比 ： EH=KHIBcos 磁 場 不 垂 直 于 霍 爾 元 件 時 的 霍 爾 電 動 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 ， 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

4、 勢 為 同 頻 率 的 交 變 電 勢 。a c d b 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？（1T104Gs）線性區(qū) 霍 爾 元 件 的 主 要 外 特 性 參 數(shù) （ 續(xù) ） 最 大 激 勵 電 流 IM : 由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，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(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？8A 0.8mA 8m

5、A 80mA 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 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(dāng) 磁 場 為 零 時 ， 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 準(zhǔn) 霍 爾器

6、件 的 正 面 ） 時 ， 輸 出 為 正 ； 磁 場 反 向 時 ， 輸 出 為負(fù) 。 請畫出線性范圍 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 芯 片 上 。 當(dāng) 外 加 磁 場 強(qiáng) 度 超 過 規(guī) 定 的 工 作 點(diǎn) 時 ，OC門 由 高 阻 態(tài) 變 為 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 輸 出 變 為 低 電 平 ； 當(dāng) 外 加 磁場 強(qiáng) 度 低 于 釋 放 點(diǎn) 時 ， OC門 重 新 變 為 高 阻 態(tài)

7、 ， 輸 出 高 電 平 。較 典 型 的 開 關(guān) 型 霍 爾 器 件 如 UGN3020等 。 開 關(guān) 型 霍 爾 集 成 電 路 的 外形 及 內(nèi) 部 電 路 OC門 施密特 觸發(fā)電路 雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放霍爾 元件.Vcc 開 關(guān) 型 霍 爾 集 成 電 路 （ OC門輸 出 ） 的 接 線 請 按 以 下 電 路 ， 將 下 一 頁 中 的 有 關(guān) 元 件 連 接 起 來 . 開 關(guān) 型 霍 爾 集 成 電 路與 繼 電 器 的 接 線 ? 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 干 擾 能 力就 越 強(qiáng) 。 當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近

8、地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？ 第 三 節(jié) 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用 霍 爾 電 勢 是 關(guān) 于 I、 B、 三 個 變 量 的 函 數(shù) ， 即 EH=KHIBcos 。 利 用 這 個 關(guān) 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 。 霍 爾 傳 感 器 主 要 用 于 測 量 能 夠 轉(zhuǎn) 換 為 磁

9、場 變 化 的 其他 物 理 量 。 霍 爾 特 斯 拉 計 （ 高 斯 計 ） 霍 爾 元 件 霍 爾 高 斯 計 （ 特 斯 拉 計 ） 的 使 用 霍 爾 元 件磁鐵 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 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 60 22fn 在 被 測 轉(zhuǎn) 速 的 轉(zhuǎn) 軸 上 安 裝 一 個 齒 盤 ， 也 可 選 取 機(jī) 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(zhuǎn) 動 使 磁 路 的 磁 阻 隨 氣 隙 的 改 變 而 周 期 性 地 變 化 ， 霍 爾

10、器 件 輸 出 的 微 小 脈 沖 信 號 經(jīng) 隔 直 、 放 大 、 整 形 后 可 以確 定 被 測 物 的 轉(zhuǎn) 速 。設(shè) 該 齒 輪 有 22個 齒 S N線性霍爾磁鐵 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 原 理 當(dāng) 齒 對 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時 ， 磁 力 線 集 中 穿 過 霍 爾 元 件 ， 可 產(chǎn) 生 較 大 的 霍 爾 電 動 勢 ， 放 大 、 整 形 后 輸 出 高 電 平 ； 反 之 ， 當(dāng) 齒 輪 的 空 擋 對 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時 ， 輸 出 為 低 電 平 。 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

11、車 輪 被 抱 死 ， 將 產(chǎn) 生 危 險 。 用 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 來 檢 測 和 保 持 車 輪 的 轉(zhuǎn) 動 ， 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 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 ， 從 而 引 起 霍 爾 電 勢 的 變 化 ，產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 速 信 號 。 霍爾元件磁鐵 霍 爾 式 無 觸 點(diǎn) 汽 車 電 子 點(diǎn) 火 裝 置 采 用 霍 爾 式 無 觸 點(diǎn) 電 子 點(diǎn) 火 裝

12、 置 能 較 好 地克 服 汽 車 合 金 觸 點(diǎn) 點(diǎn) 火 時 間 不 準(zhǔn) 確 、 觸 點(diǎn) 易 燒壞 、 高 速 時 動 力 不 足 等 缺 點(diǎn) 。 汽 車 點(diǎn) 火 線 圈高壓輸出接頭 12V低壓電源輸入接頭 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)火正時的關(guān)系 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

13、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 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 ， 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 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，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?/p>

14、，達(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，所以存儲在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓。 汽 車 電 子 點(diǎn) 火 裝 置 使 用 的 點(diǎn) 火 控 制 器 、 霍 爾 傳 感 器及 點(diǎn) 火 總 成 磁 鐵 點(diǎn)火總成 霍 爾 式 無 刷 電 動 機(jī) 霍 爾 式 無 刷 電 動 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 位 置 ， 其 輸 出 信 號 控 制電 樞 電 流 的 換 向 ， 維 持 電 動 機(jī) 的 正 常 運(yùn)轉(zhuǎn) 。 由 于 無 刷 電 動 機(jī) 不 產(chǎn) 生 電 火 花

15、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 。 普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器 無 刷 電 動 機(jī) 在 電 動 自 行 車 上 的 應(yīng) 用 電 動 自 行 車可充電電池組無刷電動機(jī) 無 刷 電 動 機(jī) 在 電 動 自 行車 上 的 應(yīng) 用 無 刷 直 流 電 動 機(jī) 的 外 轉(zhuǎn) 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(chǎn) 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(nèi) 定 子 線

16、 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) 。 電 動 自 行 車 的 無 刷 電 動 機(jī) 及 控 制 電 路 去速度控制器 利用PWM調(diào)速 光 驅(qū) 用 的 無 刷 電 動 機(jī) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 霍 爾 式 接 近 開 關(guān) 當(dāng) 磁 鐵 的 有 效 磁 極 接 近 、 并 達(dá) 到 動 作 距 離 時 ， 霍 爾 式接 近 開 關(guān) 動 作 。 霍 爾 接 近 開 關(guān) 一 般 還 配 一 塊 釹 鐵 硼 磁 鐵 。 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

17、 建 立 一 個 較 強(qiáng) 的閉 合 磁 場 。 當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑估^電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。 霍 爾 式 接 近 開 關(guān) 用 于 轉(zhuǎn) 速測 量 演 示 n = 60 f4 (r/min)軟鐵分流翼片 開 關(guān) 型 霍 爾 IC T 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 ， 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

18、 口 處 穿 過 霍 爾 元 件 ， 從 而 產(chǎn) 生 與電 流 成 正 比 的 霍 爾 電 壓 。 霍 爾 電 流 傳 感 器 演 示 鐵 心 線性霍爾IC EH=KI I 所 實(shí) 現(xiàn) 的 多 媒 體 界 面 ： 其 他 霍 爾 電流 傳 感 器 其 他 霍 爾 電 流 傳 感器 （ 續(xù) ） 霍 爾 鉗 形 電 流 表 （ 交 直 流 兩 用 ）壓舌豁口 霍 爾 鉗 形 電 流 表 演 示 直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零 70.9A 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

19、.9A 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？ 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 電動機(jī)的相電流 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 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 技 術(shù) 指 標(biāo)某 型 號 霍 爾 電 流 傳 感 器 技 術(shù) 指 標(biāo) 額 定 輸 入 電 流 ： 300A

20、額 定 輸 出 電 ： 4 1% V電 源 電 壓 ： 15 5% V失 調(diào) 電 壓 ： 25 mV失 調(diào) 電 壓 漂 移 ： 1mV/線 性 度 ： 1%FS響 應(yīng) 時 間 ： 7S絕 緣 電 壓 ： 50HZ， 1min， 2.5 K V工 作 溫 度 ： -10 +70 匝 數(shù) 比 ： 1： 2000 閉 環(huán) 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 原 理 電 路 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 技 術(shù) 指 標(biāo) 與 計 算 “匝 數(shù) 比 ” ： PSSP IINN NP被 定 義 為 “ 一 次 測 線 圈 ” 的 匝 數(shù) ，一 般 取 NP=1；N S為 廠 家 所 設(shè) 定 的 “ 二 次 側(cè)

21、 線 圈 的 匝 數(shù) ” 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 計 算 設(shè) 某 型 號 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 額 定 匝 數(shù) 比 NP/NS=1/2000，標(biāo) 準(zhǔn) 額 定 電 流 值 IPN=300A， 二 次 側(cè) 的 負(fù) 載 電 阻 RS=30。 通 電后 ， 用 電 流 表 測 得 二 次 側(cè) 電 流 IS=0.1A， 求 輸 出 到 弱 電 回 路 的電 壓 US和 被 測 電 流 IP。 解 ： 1） U S=RS IS=3V 2） 根 據(jù) 匝 數(shù) 比 公 式 被 測 電 流 IP為 ： A200A1.02000S PS INNI P 霍 爾 元 件 的 主 要 外 特 性 參 數(shù)

22、 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？（1T104Gs）線性區(qū) 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(dāng) 磁 場 為 零 時 ， 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 準(zhǔn) 霍 爾器 件 的 正 面 ） 時 ， 輸 出 為 正 ； 磁 場 反 向 時 ， 輸 出 為負(fù) 。 請畫出線性范圍 光 驅(qū) 用 的 無 刷 電 動 機(jī) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 霍 爾 式 接 近 開 關(guān) 用 于 轉(zhuǎn) 速測 量 演 示 n = 60 f4 (r/min)軟鐵分流翼片 開 關(guān) 型 霍 爾 IC T 霍 爾 電 流 傳 感 器 演 示 鐵 心 線性霍爾IC EH=KI I 所 實(shí) 現(xiàn) 的 多 媒 體 界 面 ： 其 他 霍 爾 電流 傳 感 器 其 他 霍 爾 電 流 傳 感器 （ 續(xù) ） 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 70.9A