霍爾元件詳解

　　霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機(jī)中測(cè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，如錄像機(jī)的磁鼓，電腦中的散熱風(fēng)扇等；是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。

　　工作原理

　　霍爾元件應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。

　　所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。

　　利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關(guān)系為：

　　UH=RHIB/d （1） RH=1/nq（金屬） （2）式中 RH――霍爾系數(shù)；n――單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個(gè)數(shù)；q――電子電量；I――通過(guò)的電流；B――垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d――導(dǎo)體的厚度。

　　對(duì)于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達(dá)式和式（2）不同，此處從略。

　　由于通電導(dǎo)線周?chē)嬖诖艌?chǎng)，其大小和導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不和被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。

　　若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差和電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。

　　利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。

　　如果把霍爾元件集成的開(kāi)關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度。

　　元件分類(lèi)

　　按照霍爾元件的功能可將它們分為： 霍爾線性器件 和 霍爾開(kāi)關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。

　　按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

　　霍爾開(kāi)關(guān)

　　按照霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式可將它們分為：?jiǎn)螛O性霍爾開(kāi)關(guān)、雙極性霍爾開(kāi)關(guān)、全極性霍爾開(kāi)關(guān)。

　　單極性霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式：磁場(chǎng)的一個(gè)磁極靠近它，輸出低電位電壓（低電平）或關(guān)的信號(hào)，磁場(chǎng)磁極離開(kāi)它輸出高電位電壓（高電平）或開(kāi)的信號(hào)，但要注意的是，單極性霍爾開(kāi)關(guān)它會(huì)指定某磁極感應(yīng)才有效，一般是正面感應(yīng)磁場(chǎng)S極，反面感應(yīng)N極。

　　雙極性霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式：因?yàn)榇艌?chǎng)有兩個(gè)磁極N、S（正磁或負(fù)磁），所以兩個(gè)磁極分別控制雙極性霍爾開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)（高低電平），它一般具有鎖定的作用，也就是說(shuō)當(dāng)磁極離開(kāi)后，霍爾輸出信號(hào)不發(fā)生改變，直到另一個(gè)磁極感應(yīng)。另外，雙極性霍爾開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)是隨機(jī)輸出，有可能是高電平，也有可能是低電平。

　　全極性霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式：全極性霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式與單極性霍爾開(kāi)關(guān)的感應(yīng)方式相似，區(qū)別在于，單極性霍爾開(kāi)關(guān)會(huì)指定磁極，而全極性霍爾開(kāi)關(guān)不會(huì)指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號(hào)，離開(kāi)輸出高電平信號(hào)。

　　線性霍爾

　　線性霍爾元件是一種模擬信號(hào)輸出的磁傳感器，輸出電壓隨輸入的磁力密度線性變化。

　　線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電壓輸出會(huì)精確跟蹤磁通密度的變化。在靜態(tài)（無(wú)磁場(chǎng)）時(shí)，從理論上講，輸出應(yīng)等于在工作電壓及工作溫度范圍內(nèi)的電源電壓的一半。增加南極磁場(chǎng)將增加來(lái)自其靜態(tài)電壓的電壓。相反，增加北極磁場(chǎng)將增加來(lái)自其靜態(tài)電壓的電壓。這些部件可測(cè)量電流的角、接近性、運(yùn)動(dòng)及磁通量。它們能夠以磁力驅(qū)動(dòng)的方式反映機(jī)械事件。

　　霍爾元件電路圖大全

　　霍爾元件電路圖（一）

　　恒流工作電路

　　溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來(lái)誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電，如圖1所示。在恒流工作條件下，沒(méi)有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。

　　霍爾元件電路圖（二）

　　恒壓工作電路

　　恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方，如圖2所示。

　　霍爾元件電路圖（三）

　　差分放大電路

　　霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路，如圖3所示。使用一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，霍爾元件的輸出電阻可能會(huì)大于運(yùn)算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，而采用圖4所示的電路，則不存在這個(gè)問(wèn)題。

　　霍爾元件電路圖（四）

　　霍爾元件的應(yīng)用電路圖