1、第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、的工作原理、霍尔集成电路霍尔集成电路的的特性特性及其在检测技术中的应用，及其在检测技术中的应用，还涉及还涉及交直流电流传感器交直流电流传感器以及以及安全栅安全栅。霍尔元件是一霍尔元件是一种种四端元件四端元件2022-10-61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 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 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 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
2、流和磁场的方向上将产生电动势E EH H，这，这种现象称为种现象称为霍尔效应霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b2022-10-62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 B越强，霍尔电势越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势E EH H可用下式表示：可用下式表示：E EH H=K KH H IBIB2022-10-63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作用，当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（向内侧（d d侧）偏移
3、，在半导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c c、d d方向的方向的端面之间建立起霍尔电势。端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b2022-10-64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，而是与其不垂直于霍尔元件，而是与其法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时，实际上作用于霍尔元件上的有效有效磁感应强度磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos，这时的，这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦霍尔电势与法线的夹角的余弦成正比成正
4、比：E EH H=K KH HIBIBcoscos 2022-10-65磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比。成正比。当当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，霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势的交变电势。a ac cd db b2022-10-66霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度最大磁感应强度B BMM 上图所示霍尔元件的
5、线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高负的多少高斯至正的多少高斯斯至正的多少高斯？（？（1T1T10104 4GsGs）线性区线性区2022-10-67霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续）最大激励电流最大激励电流I IMM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，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，霍尔元件的流增大，霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度升元件的温度升高高，从而，从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大，因此每种，因此每种型号的元件均规定了相应的型号
6、的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流，它，它的数值从几毫安至十几毫安。的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个以下哪一个激励电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当？8 8 A A 0.8mA0.8mA 8mA8mA 80mA 80mA 2022-10-68第二节第二节 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线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动线性型集成电路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
7、尔器件如使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍霍尔集成电路尔集成电路2022-10-69线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双端右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的的磁场为正向（磁钢的S S极对准霍尔器件的正极对准霍尔器件的正面）时，面）时，输出为正；输出为正；磁场反向时，输出为负。磁场反向时，输出为负。请画出线性范围请画出线性范围2022-10-610开
8、关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳稳压电路压电路、放大器放大器、施密特触发器施密特触发器、OCOC门门（集（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OCOC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当当外加磁场强度低于释放点时，外加磁场强度低于释放点时，OCOC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020UG
9、N3020等。等。2022-10-611开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触触发电路发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VcVcc c2022-10-612开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OCOC门输出）的接线门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.2022-10-613开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线?2022-10-614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
10、越大，回差越大，抗振动干扰抗振动干扰能力就越强。能力就越强。当磁铁当磁铁从远到近地接近霍尔从远到近地接近霍尔ICIC，到多少特，到多少特斯拉时输出翻转？当斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍磁铁从近到远地远离霍尔尔ICIC，到多少特斯拉时输出，到多少特斯拉时输出再次翻转再次翻转？回差回差为多少特斯拉为多少特斯拉？相当于多少高斯（？相当于多少高斯（GsGs）？）？2022-10-615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 I、B B、三个变量的函三个变量的函数，即数，即 E EH H=K KH HIBIBcoscos 。利用这个关系可以使利用这个关系可
11、以使其中两个量不变其中两个量不变，将将第三个量作为变量第三个量作为变量，或者固定其中一个量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。磁场变化的其他物理量。2022-10-616霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件2022-10-617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2022-10-618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
12、量铁心测量铁心 气隙的气隙的B B值值2022-10-619霍尔转速表霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个在被测转速的转轴上安装一个齿盘齿盘，也可选取机械，也可选取机械系统中的一个系统中的一个齿轮齿轮，将，将线性型线性型霍尔器件及磁路系统靠霍尔器件及磁路系统靠近齿盘近齿盘。齿盘的转动使磁路的。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变磁阻随气隙的改变而周而周期性地变化，霍尔器件输出的期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、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。设该齿轮有设该齿轮有2222个齿个齿S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁2
13、022-10-620霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元集中穿过霍尔元件件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平件时，输出为低电平。2022-10-621霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABSABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被若汽车在刹车时车轮被抱死抱死，将产生危险。用，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动转动，
14、有，有助于助于控制刹车力的大小控制刹车力的大小和防止和防止侧偏侧偏。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2022-10-622霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起缺口或突起，就就可产生磁场强度的脉动可产生磁场强度的脉动，从而，从而引起霍尔电势引起霍尔电势的变化的变化，产生转速信号产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2022-10-623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 采用霍尔式无触点采用霍尔式无触点电子点火装置能较电子点火装置能较好地好地克服汽车合金克服汽车合
15、金触点点火时间不准触点点火时间不准确、确、触点易烧坏触点易烧坏、高速时动力不足高速时动力不足等等缺点缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V12V低压电源低压电源输入接头输入接头2022-10-624霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2-2-槽口槽口 3-3-分电器转轴分电器转轴 4-4-永久磁铁永久磁铁 5-5-霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC）a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b b）触发器叶片与永久磁
16、铁及霍尔集）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系成电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 2022-10-625么么么么方面nSds绝对是假的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(续）续）汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 11点火开关点火开关 22达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 33点火线圈低压侧点火线圈低压侧 44点火线圈铁心点火线圈铁心 55点火线圈高压侧点火线圈高压侧 66分火头分火头 77火花塞火花塞 a a）电路）电路 b b）霍尔）霍尔ICIC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波
17、形 2022-10-627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(续）续）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，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点火线圈低压侧有较大电流通过，并以，并以磁场能磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中量的形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ICIC面前时，面前时，霍尔霍尔ICIC输出输出跳变为高电平跳变为高电平，经反相变为低电平，经反相变为低电平，达林顿管达林顿管截止截止，切断点火线圈的低压
18、侧电流切断点火线圈的低压侧电流。由于没有。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场磁场能量在高压侧感应出能量在高压侧感应出3050kV3050kV的高电压的高电压。2022-10-628汽车电子点火装置使用的点火控制器、汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成2022-10-629霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换取消了换向器和电刷向器和电刷，而，而采用霍尔元件采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对来检测转子和定子之间的相对位置位置，其输出信号控制电枢电
19、，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的正常流的换向，维持电动机的正常运转。运转。由于无刷电动机由于无刷电动机不产生电火不产生电火花及电刷磨损等问题花及电刷磨损等问题，所以它，所以它在录像机、在录像机、CDCD唱机、光驱等唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的家用电器中得到越来越广泛的应用。应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器2022-10-630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 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机2022-10-631无刷电动机在电动无刷电动机在电动自行车上的应用自行车上的应用 无
20、刷直流电动机无刷直流电动机的外转子采用高性能的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料钕铁硼稀土永磁材料；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号，控制逆变桥各功控制逆变桥各功率管通断率管通断，使，使三相内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间产生连续转矩。具。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。2022-10-632电动自行车的无刷电动机及控制电路电动自行车的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PWMPWM调调速速2022-10-633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2
21、022-10-634霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。硼磁铁。2022-10-635霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC只能用于铁磁材只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。一个较强的闭合磁场。当磁铁随运动当磁铁随运动部件移动到部件移动到距霍距霍尔接近开关几毫尔接近开关几毫米米时，时，霍尔霍尔ICIC的的输出由高电平变输出由高电平变为低电平为低电平，使，使继继电
22、器吸合或释放电器吸合或释放，控制运动部件控制运动部件停停止移动止移动（否则将（否则将撞坏霍尔撞坏霍尔ICIC），），起限位的作用起限位的作用。2022-10-636霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n n=6060f f4 4(r r/min)/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T2022-10-637霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将将被测电流的导被测电流的导线穿过霍尔电流传线穿过霍尔电流传感器的检测孔感器的检测孔。当。当有电流通过导线时，有电流通过导线时，在导线周围将产生在导线周围将产生磁场磁场，磁力线集中，磁力线集中在铁心内，并在铁心内，并
23、在铁在铁心的缺口处穿过霍心的缺口处穿过霍尔元件尔元件，从而，从而产生产生与电流成正比的霍与电流成正比的霍尔电压尔电压。2022-10-638霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔ICIC E EH H=K KI I I I 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：2022-10-639其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器2022-10-640其他霍尔电流其他霍尔电流传感器（续）传感器（续）2022-10-641霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口2022-10-642霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A200A量程量
24、程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A2022-10-643钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A2022-10-644霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环
25、形铁心中 将空调电源的将空调电源的“三芯护套三芯护套线线”夹到钳形表的环形铁心中，夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？钳形表的示值为多少？为什么？2022-10-645霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表叉形钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用钳形表测量用钳形表测量 电电动机的相电流动机的相电流2022-10-646霍尔式电流霍尔式电流谐波分析仪谐波分析仪 被测电流的谐被测电流的谐波频谱波频谱铁心的铁心的 开开合缝隙合缝隙 铁心的铁心的 杠杠杆压舌杆压舌2022-10-647霍尔电流传感器的技术指标霍尔电流传感器的技术指标某型号霍尔电流传
26、感器技术指标某型号霍尔电流传感器技术指标 额定输入电流：额定输入电流：300A300A额定输出电：额定输出电：4 41%V1%V电源电压：电源电压：15155%V5%V失调电压：失调电压：25 mV25 mV失调电压漂移：失调电压漂移：1mV/1mV/线性度：线性度：1%FS1%FS响应时间：响应时间：7S7S绝缘电压：绝缘电压：50HZ50HZ，1min1min，2.5 KV2.5 KV工作温度：工作温度：-10-10+70+70 匝数比：匝数比：1 1：20002000 2022-10-648闭环霍尔电流传感器的原理电路闭环霍尔电流传感器的原理电路2022-10-649霍尔电流传感器的技术
27、指标与计算霍尔电流传感器的技术指标与计算 “匝数比匝数比”：PSSPIINNN NP P被定义为被定义为“一次测线圈一次测线圈”的匝数，的匝数，一般取一般取N NP P=1=1；N NS S为厂家所设定的为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数二次侧线圈的匝数”2022-10-650霍尔电流传感器的计算霍尔电流传感器的计算 设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比N NP P/N NS S=1/2000=1/2000，标准额定电流值，标准额定电流值I IPNPN=300A=300A，二次侧的负载电阻二次侧的负载电阻R RS S=30=30。通电后，用电流表。通电后，用电流表测得二次侧电流测得二次侧电流I IS S=0.1A=0.1A，求输出到弱电回路的，求输出到弱电回路的电压电压U US S和被测电流和被测电流I IP P。解：解：1 1）U US S=R RS SI IS S=3V=3V 2 2）根据）根据匝数比公匝数比公式被测电流式被测电流I IP P为：为：A200A1.02000SPSINNIP2022-10-651
