傳感器課件-8霍爾傳感器

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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 交 直 流 電 流 傳 感 器 以 及安 全 柵 。 霍 爾 元 件 是一 種 四 端 元 件 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

2、 稱 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 磁 感 應(yīng) 強 度 B為 零 時 的 情 況c da b 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 。 霍 爾 電 勢 EH可 用 下 式 表 示 ： EH=KH IB 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 用 ， 向 內(nèi) 側(cè) （ d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 。c da b 磁 場 不 垂 直 于 霍 爾 元 件 時

3、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 與 法 線 的 夾 角 的 余 弦成 正 比 ： EH=KHIBcos 磁 場 不 垂 直 于 霍 爾 元 件 時 的 霍 爾 電 動 勢 演 示結(jié) 論 ： 霍 爾 電 勢 與 輸 入 電 流 I、 磁 感 應(yīng) 強 度 B成 正 比 。當(dāng) B的 方 向 改 變 時 ，

4、 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 ， 霍 爾 電 勢 為 同 頻 率的 交 變 電 勢 。a c d b 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 ？ （ 1T 10 4Gs）線 性 區(qū) 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

5、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) ？8 A 0.8mA 8mA 80mA 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

6、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 UGN3501等 。 線 性 型 三 端 霍 爾 集 成 電 路 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 霍 爾 器 件的 正 面 ） 時 ， 輸

7、出 為正 ； 磁 場 反 向 時 ， 輸 出為 負 。 請 畫 出 線 性 范 圍 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 為 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 輸 出 變 為 低 電 平 ；當(dāng) 外 加 磁 場 強 度 低 于 釋 放 點 時 ， OC門 重 新 變?yōu)?高 阻 態(tài) ， 輸 出 高 電 平

8、。 較 典 型 的 開 關(guān) 型 霍爾 器 件 如 UGN3020等 。 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 .Vcc 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 . 開 關(guān) 型 霍 爾 集 成 電 路與 繼 電 器 的 接 線? 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

9、 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） ？ 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

10、變 量 。 這 使 得 霍 爾 傳 感 器有 許 多 用 途 。 霍 爾 傳 感 器 主 要 用 于 測 量 能 夠 轉(zhuǎn) 換 為磁 場 變 化 的 其 他 物 理 量 。 霍 爾 特 斯 拉 計 （ 高 斯 計 ） 霍 爾 元 件 霍 爾 高 斯 計 （ 特 斯 拉 計 ） 的 使 用 霍 爾 元 件磁 鐵 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 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 60 22fn 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

11、及 磁 路 系 統(tǒng)靠 近 齒 盤 。 齒 盤 的 轉(zhuǎn) 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 。設(shè) 該 齒 輪 有 22個 齒 S N線 性 霍 爾磁 鐵 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 原 理 當(dāng) 齒 對 準 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 霍爾 元 件 時 ，

12、 輸 出 為 低 電 平 。 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 和 保 持 車 輪 的 轉(zhuǎn) 動 ，有 助 于 控 制 剎 車 力 的 大 小 和 防 止 側(cè) 偏 。帶 有 微型 磁 鐵的 霍 爾傳 感 器 鋼 質(zhì) 霍 爾 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) 生 磁 場 強 度 的 脈 動 ， 從 而 引 起 霍 爾電 勢 的

13、 變 化 ， 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 速 信 號 。 霍 爾 元 件磁 鐵 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 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 霍 爾 式 無 觸 點 汽 車 電 子 點 火 裝 置 工 作 原 理 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

14、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） 葉 片 位 置 與 點 火 正 時 的 關(guān) 系 霍 爾 式 無 觸 點 汽 車 電 子 點 火 裝 置 (續(xù) ） 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)

15、 輸 出 波 形 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 。 當(dāng) 葉 片 槽 口 轉(zhuǎn) 到 霍 爾 IC面 前 時 ， 霍 爾 IC輸出 跳 變 為 高 電 平 ， 經(jīng) 反 相 變 為 低 電 平 ， 達 林 頓管 截 止 ， 切 斷 點 火 線 圈 的 低 壓 側(cè) 電 流 。

16、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 側(cè) 感 應(yīng) 出 3050kV的 高 電 壓 。 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 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 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

17、 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 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 無 刷 電 動 機 在 電 動自 行 車 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

18、 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 。 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 光 驅(qū) 用 的 無 刷 電 動 機 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 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 。 霍爾 接 近 開 關(guān) 一 般 還 配 一 塊釹 鐵 硼 磁 鐵 。 霍 爾 式 接 近 開 關(guān) 用 霍 爾 I

19、C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 磁 場 。 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 為 低 電 平 ， 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 限 位 的作 用 。 霍 爾 式 接 近 開 關(guān) 用 于轉(zhuǎn) 速 測 量 演 示 n=60 f4 (r/min)軟 鐵 分 流 翼 片 開 關(guān) 型 霍 爾 IC T 霍 爾 電 流 傳 感 器 將 被 測 電 流 的導(dǎo) 線

20、 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 。 霍 爾 電 流 傳 感 器 演 示鐵 心 線 性 霍 爾 IC EH=KI I 所 實 現(xiàn) 的 多 媒 體 界 面 ： 其 他 霍 爾 電 流 傳 感 器 其 他 霍 爾 電 流傳 感 器 （ 續(xù) ） 霍 爾 鉗 形 電 流 表 （ 交 直 流 兩 用 ）壓 舌豁 口 霍 爾 鉗 形 電 流 表 演 示 直 流

21、 200A量 程被 測 電 流 的導(dǎo) 線 未 放 入鐵 心 時 示 值為 零 70.9A 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 70.9A 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 表 的 環(huán) 形 鐵 心 中 將 空 調(diào) 電 源 的 “ 三 芯 護 套線 ” 夾 到 鉗 形 表 的

22、 環(huán) 形 鐵 心 中 ，鉗 形 表 的 示 值 為 多 少 ？ 為 什 么 ？ 霍 爾 鉗 形 電 流 表 的 使 用 （ 續(xù) ） 叉 形 鉗 形 表漏 磁 稍 大 ，但 使 用 方 便 用 鉗 形 表 測 量 電 動 機 的 相 電 流 霍 爾 式 電 流諧 波 分 析 儀 被 測 電 流 的諧 波 頻 譜 鐵 心 的 開 合 縫 隙 鐵 心 的 杠 桿 壓 舌 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 技 術(shù) 指 標某 型 號 霍 爾 電 流 傳 感 器 技 術(shù) 指 標 額 定 輸 入 電 流 ： 300A額 定 輸 出 電 ： 4 1% V電 源 電 壓 ： 15 5% V失 調(diào) 電 壓 ： 25

23、 mV失 調(diào) 電 壓 漂 移 ： 1mV/線 性 度 ： 1%FS響 應(yīng) 時 間 ： 7S絕 緣 電 壓 ： 50HZ， 1min， 2.5 K V工 作 溫 度 ： -10 +70 匝 數(shù) 比 ： 1： 2000 閉 環(huán) 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 原 理 電 路 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 技 術(shù) 指 標 與 計 算 “匝 數(shù) 比 ” ： PSSP IINN NP被 定 義 為 “ 一 次 測 線 圈 ” 的 匝 數(shù) ，一 般 取 NP=1；N S為 廠 家 所 設(shè) 定 的 “ 二 次 側(cè) 線 圈 的 匝 數(shù) ” 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 計 算 設(shè) 某 型 號 霍 爾 電 流 傳 感 器 的 額 定 匝 數(shù) 比NP/NS=1/2000， 標 準 額 定 電 流 值 IPN=300A， 二次 側(cè) 的 負 載 電 阻 RS=30。 通 電 后 ， 用 電 流 表 測得 二 次 側(cè) 電 流 IS=0.1A， 求 輸 出 到 弱 電 回 路 的 電壓 US和 被 測 電 流 IP。 解 ： 1） US=RS IS=3V 2） 根 據(jù) 匝 數(shù) 比 公 式 被 測 電 流 I P為 ： A200A1.02000SPS INNIP