霍爾傳感器的原理及應(yīng)用[1]

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1、上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院第八章霍爾傳感器課題：霍爾傳感器的原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：12教材分析難點(diǎn)：開關(guān)型霍爾集成電路的特性重點(diǎn)：霍爾傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解霍爾傳感器的工作原理；2、了解霍爾集成電路的分類；3、掌握線性型和開關(guān)型霍爾集成電路的特性；4、掌握霍爾傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂互動(dòng)、分析教具：各種霍爾元件、霍爾傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示1：將小型蜂鳴器的負(fù)極接到霍爾接近開關(guān)的OC門輸出端，正極接Vcc端。在沒有磁鐵靠近時(shí)，OC門截止，蜂鳴器不響。當(dāng)磁鐵靠近

2、到一定距離（例如3mm）時(shí)，OC門導(dǎo)通，蜂鳴器響。將磁鐵逐漸遠(yuǎn)離霍爾接近開關(guān)到一定距離（例如5mm）時(shí)，OC門再次截止，蜂鳴器停響。演示2：將一根導(dǎo)線穿過10A霍爾電流傳感器的鐵芯，通入0.1~1A電流，觀察霍爾IC的輸出電壓的變化，基本與輸入電流成正比。從以上演示，引入第一節(jié)霍爾效應(yīng)、霍爾元件的工作原理。第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性一、工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)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(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（Ha

3、llEffect），該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)（HallEMF），上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件（HallElement）。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器（HallTransducer）。7上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院圖8-1霍爾元件示意圖a）霍爾效應(yīng)原理圖b）薄膜型霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖c）圖形符號(hào)d）外形霍爾屬于四端元件：其中一對(duì)（即a、b端）稱為激勵(lì)電流端，另外一對(duì)（即c、d端）稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端，c、d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)

4、也就越高?；魻栯妱?dòng)勢(shì)EH可用下式表示EH=KHIB（8-1）式中KH——霍爾元件的靈敏度。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θ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Bcosθ，這時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為EH=KHIBcosθ（8-2）從式（8-2）可知，霍爾電動(dòng)勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電動(dòng)勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，霍爾元件

5、的殼體可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造。二、主要特性參數(shù)（1）輸入電阻Ri恒流源作為激勵(lì)源的原因：霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流Iab變大，最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變大。使用恒流源可以穩(wěn)定霍爾原件的激勵(lì)電流。（2）最大激勵(lì)電流Im激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。提問：霍爾原件的最大激勵(lì)電流Im為宜

6、。A．0mAB．±0.1mAC．±10mAD．100mA（4）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm磁感應(yīng)強(qiáng)度超過Bm時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。提問：為保證測(cè)量精度，圖8-3中的線性霍爾IC的磁感應(yīng)強(qiáng)度不宜超過為宜。A．0TB．±0.10TC．±0.15TD．±100Gs7上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院第二節(jié)霍爾集成電路霍爾集成電路（又稱霍爾IC）的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對(duì)電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤呻娐返姆诸悾壕€性型和開關(guān)型兩大類。線性型的內(nèi)部電路：霍爾元件和恒流

7、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。開關(guān)型霍爾集成電路的內(nèi)部電路：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(chǎng)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(chǎng)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。圖8-2線性型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖圖8-3線性型霍爾集成電路輸出特性圖8-4開關(guān)型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖7上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院

8、圖8-5開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性注：1特斯拉（T）＝104高斯（Gs）提問：磁鐵從遠(yuǎn)到近，逐漸靠近圖8-5所示的開關(guān)型霍爾IC，問，多少高斯時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)？成為什么電平？表8-1具有史密特特性的OC門輸出狀態(tài)與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系B/TOC門輸出狀態(tài)OC門接法磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化方向及數(shù)值0?0.02?0.023?0.03?0.02?0.016?0接上拉電阻RL高電平①高電平②低電平低電平低電平③高電平高電平不接上拉電阻RL高阻態(tài)高阻態(tài)低電平低