霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的磁敏元件，其典型的工作原理圖如圖所示?；魻栐且粋€(gè)N型半導(dǎo)體薄片，若在其相對(duì)兩側(cè)通以控制電流I，而在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)氏則在半導(dǎo)體另外兩側(cè)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與電流，和磁場(chǎng)B的乘積成工比的電壓。這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電壓叫霍爾電壓UR.式中:UH—霍爾電壓；RH—霍爾系數(shù)；d---霍爾元件的厚度；I---通過霍爾元件的電流;元件的寬度。從上面的公式可以看出，霍爾電壓正比于電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)度恒定以及霍爾元件形狀確定的條件下，霍爾電壓正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)所加磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電壓的符號(hào)也隨之改變因此，霍爾元件可以用來測(cè)量磁場(chǎng)的大小及方向。圖:霍爾效應(yīng)原理圖霍爾元件常采用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化鋼等半導(dǎo)體制作。用銻化銦半導(dǎo)體制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺半導(dǎo)體制成的霍爾元件，雖然靈敏度較低，但它的溫度特性及線性度較好。目前使用銻化銦霍爾元件的場(chǎng)合較多?；魻栐脑砑皯?yīng)用2009-03-2420:17由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類，一類是線性元件，另一類是開關(guān)類元件。2線性霍爾元件的原理及應(yīng)用UGN350IT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350IT可以十分方便地組成一臺(tái)高斯計(jì)。其使用十分簡(jiǎn)單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測(cè)對(duì)象上，記下新的示值VOH1?！鱒OH=VOH1-VOH如果AVOH〉。，說明探頭端面測(cè)得的是N極；反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T，由此即可測(cè)出相應(yīng)的被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。如果采用數(shù)字電壓表(DVM),可得圖1所示的線性高斯計(jì)。運(yùn)放采用高精度運(yùn)放CA3130O該電路的具體調(diào)零方式為：開啟電源后，令B=0,調(diào)節(jié)W1使DVM的示值為零，然后用一塊標(biāo)準(zhǔn)的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計(jì)檢測(cè)時(shí)示值如果為-200mV，則探頭端面檢測(cè)的是S極，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.02To本高斯計(jì)也可用來測(cè)量交變的磁場(chǎng)，不過DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地?cái)U(kuò)展普通數(shù)字萬用表的功能。ISV康\數(shù)苧尚斯計(jì)用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過導(dǎo)線電流的安匝數(shù)；這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件，感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，其靈敏度為7V/T，經(jīng)過運(yùn)放pA741調(diào)零，線性放大后送入DVM，組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡(jiǎn)單：導(dǎo)線中的電流為零時(shí)，調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調(diào)W3使DVM讀數(shù)為5V；反向輸入-50A電流，數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3，讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其靈敏度不小于0.1V/A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測(cè)量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。

圖2蛟字樹形也流裊3開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對(duì)于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當(dāng)B=0時(shí)，V0為高電平；當(dāng)外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點(diǎn)。對(duì)于UGN3020BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80?150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V?24V。圖3UGN3O2O功德特?fù)?jù)■助族UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計(jì)探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測(cè)量電路。將具有10個(gè)齒的圓盤固定于被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過測(cè)量磁路的間隙時(shí)，霍爾元件輸出高電平，其他時(shí)間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個(gè)脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計(jì)即可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測(cè)保護(hù)電路，該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動(dòng)作的起始磁場(chǎng)，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無觸點(diǎn)的過流保護(hù)電路。開關(guān)型霍爾元件最具特點(diǎn)的應(yīng)用是在無刷電機(jī)上。通常的直流電機(jī)采用電刷型整流子供電，這種供電機(jī)構(gòu)工作時(shí)噪聲大，電機(jī)的壽命由于換相器的嚴(yán)重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機(jī)的上述弊端，