最新-第八章--霍爾傳感器70411-PPT課件

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，還涉及磁場測量技術(shù)。 霍爾元件是一種四端元件7/19/20221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)強度B為零時的情況cdab7/19/20222磁感應(yīng)強度B 較大時的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示： EH=KH IB7/19/20223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

2、用，向內(nèi)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。cdab7/19/20224磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為 EH=KHIBcos 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當(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，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 7/19/20225霍爾元件的主要外特性參數(shù) 最大磁感應(yīng)強度BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)

3、7/19/20226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)？5A 0.1mA 2mA 80mA 7/19/20227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UGN35

4、01等。 線性型三端 霍爾集成電路7/19/20228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。 請畫出線性范圍7/19/20229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)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020

5、等。7/19/202210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、 單端輸出運放霍爾 元件.Vcc7/19/202211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.7/19/202212開關(guān)型霍爾集成電路與繼電器的接線?7/19/202213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。 當(dāng)磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠地遠離霍爾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）？ 7/19/202214作業(yè)p135：2、3、5、67/19/2

6、02215出去活動一下7/19/202216 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。7/19/202217霍爾特斯拉計（高斯計） 霍爾元件7/19/202218霍爾高斯計（特斯拉計）的使用 霍爾元件磁鐵7/19/202219霍爾傳感器用于測量磁場強度 霍爾元件測量鐵心 氣隙的B值7/19/202220霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(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)

7、動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾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。SN線性霍爾磁鐵7/19/202221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。7/19/202222霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾7/19/202223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)

8、生磁場強度的脈動，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7/19/202224霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。 汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭7/19/202225霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準(zhǔn)確、高速時動力足。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

9、）葉片位置與點火正時的關(guān)系 7/19/202226霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(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火線圈的鐵心中。 汽車電子點火電路及波形 1點火開關(guān) 2達林頓晶體管功率開關(guān) 3點火線圈低壓側(cè) 4點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側(cè) 6分火頭 7火花塞 a）電路 b）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形 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?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑_林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓

10、側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓。 7/19/202227汽車電子點火裝置使用的 點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成7/19/202228霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機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，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 普通直流電動機使用的電刷和換向器7/19/202229無刷電動機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7/19/202230無刷電動機在電動自行車

11、上的應(yīng)用 無刷直流電動機的外轉(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、可靠性強等特點。7/19/202231電動自行車的無刷電動機及控制電路 去速度控制器 利用PWM調(diào)速7/19/202232光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)7/19/202233霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。7/19/202234霍爾式接近開關(guān) 用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合

12、磁場。 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運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?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。 7/19/202235霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾IC T7/19/202236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)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。7/19/202237霍爾電流傳感器演示鐵心 線性霍爾IC EH=KH IB I所實現(xiàn)的多媒體界面：I7/19/202238其他霍爾 電流傳感器7/19/202239其他霍爾電流傳感器（續(xù)）7/19/202240霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口7/19/202241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零70.9A7/19/202242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70.9A7/19/202243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