霍爾開關(guān) 工作原理及應(yīng)用范圍

　　霍爾集成電路 是與電子電路集成的 霍爾元件。它由 霍爾元件 、放大器、 溫度補(bǔ)償電路 和 穩(wěn)壓電路 使用 集成電路工藝 技術(shù)制成。它可以感應(yīng)所有與磁性有關(guān)的物理量，并輸出有關(guān)的電子控制信息，因此 霍爾集成電路 既是a 集成電路 又是a 磁敏傳感器，一般采用 DIP 或扁平封裝。

　　原則1。霍爾集成電路

　　當(dāng)通電的半導(dǎo)體片材垂直放置在磁場中時(shí)，會在片材的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。這種現(xiàn)象稱為 霍爾效應(yīng)。該電位差稱為 霍爾電勢，電位的大小E = KIB/d，其中k是 霍爾系數(shù)，d是片的厚度，I是電流，B是磁感應(yīng)。圖1示出了 霍爾效應(yīng) 的原理: 在三維空間中，霍爾 半導(dǎo)體板在 XOY 平面中，該平面垂直于磁場的方向，并且該磁場指向y軸的方向，電流I沿x軸傳遞。由于移動(dòng)電荷和磁場之間的相互作用，結(jié)果是z軸 方向上 上的 霍爾電勢E及其值。為此，霍爾元件 和電子電路被集成在約2毫米 * 2毫米的硅襯底上，并且實(shí)現(xiàn) 霍爾 溫度穩(wěn)定性和可靠性 集成電路。

　　2.典型 霍爾集成電路 結(jié)構(gòu)分析

　　霍爾集成電路 根據(jù)輸出模式可分為線性類型和開關(guān)類型，根據(jù) 集成電路 內(nèi)部 有源器件 可分為雙極類型和MOS類型。圖2和圖3分別示出了雙極型 霍爾集成電路內(nèi)部 的原理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，圖2為開關(guān)型，圖3為線型。在圖2 IC 中，霍爾元件H的磁檢測被反映為高電平和低電平的輸出。V1和V2由 差分放大器 組成，其以約幾十倍的放大倍數(shù)放大 霍爾電勢。V3 和 V4 構(gòu)成 施密特觸發(fā)器，其將放大 霍爾電勢整形 成矩形脈沖;V5 和 V6 進(jìn)一步緩沖和放大矩形脈沖; V7和 V8 是 開路集電極 輸出管。在圖2a中有兩個(gè)輸出端子。這里采用 集電極開路 輸出結(jié)構(gòu)的原因是它可以具有較大的負(fù)載能力，并且易于與不同類型的電路接口。然而，一些 霍爾集成電路 采用開路發(fā)射極輸出的形式，如圖2b和2c所示。圖3顯示了線性 霍爾集成電路 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其輸出電壓可以隨施加的磁場強(qiáng)度連續(xù)變化，其輸出變化曲線一般如圖4所示。它的特點(diǎn)是靈敏度高，輸出動(dòng)態(tài)范圍寬，線性度好。在圖3a中，V1和V2是 差分放大器，R1和 R2 的發(fā)射極電阻器的負(fù)反饋擴(kuò)大了電路的線性范圍，并且 V5 和 V6第二級差分 的放大使得放大系數(shù)非常高。一些線性 霍爾集成電路 還設(shè)置引出外部 電位器 以補(bǔ)償，零或改變電路的靈敏度。

　　3的應(yīng)用。霍爾集成電路

　　霍爾集成電路具有無接觸、無磨損、無火花、功耗低、壽命長、靈敏度高、工作頻率高等特點(diǎn)。能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。對于開關(guān)型霍爾IC，其**基本的應(yīng)用是作為接近開關(guān)，例如，它可以用作霍爾無觸點(diǎn)開關(guān)、限位開關(guān)、方向開關(guān)、壓力開關(guān)、轉(zhuǎn)速表等?；魻柨捎糜诜墙佑|式測距、非接觸式電位器、無刷電機(jī)、磁場測量高斯計(jì)、磁性探傷等。對于開關(guān)型霍爾IC，其輸出一般為開路集電極晶體管開路發(fā)射極輸出，因此可以很容易地與其連接?？膳cTTL、CMOS數(shù)字電路、PLC輸入、固態(tài)繼電器及各種AC/DC電子開關(guān)接口。圖5-6示出了各種驅(qū)動(dòng)接口模式，其中圖5-6中的霍爾IC。5為開路集電極輸出，圖中為霍爾IC。6是開路發(fā)射極輸出的形式。

　　4.應(yīng)用實(shí)例和電路（1）霍爾電勢愛因斯坦KIBhandd在實(shí)際應(yīng)用中都是固定的k I d值，E是B線性函數(shù)，即磁通量，因?yàn)榫€性霍爾集成電路的輸出電流與檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系，所以可以用微安培計(jì)測量磁場高斯的大小。（2）由于電場的存在，不可避免地會產(chǎn)生磁場，因此線性霍爾IC也可以用來檢測交、直流電流的變化。如圖8標(biāo)準(zhǔn)磁鐵芯上有間隙，在該間隙上有線圈和檢測電流，因此線圈產(chǎn)生的磁場可以同時(shí)在鐵芯間隙用線性霍爾IC感測表示。該方法還可用于過電流、過壓、欠壓保護(hù)，其中霍爾IC還可采用開關(guān)式保護(hù)。（3）當(dāng)兩個(gè)不同極性的磁體中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)磁體線性霍爾IC產(chǎn)生偏離一側(cè)的位移時(shí)，霍爾IC的輸出電壓將與其位移成正比，因此用該方法得到的力的大小為霍爾IC。（4）霍爾IC代替無刷電機(jī)中的電刷起換流作用，克服了使用R為無刷電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的電刷噪音大、易磨損、壽命短等缺陷。直徑方向上和H2彼此垂直的H1是兩個(gè)片霍爾線性IC，每個(gè)片控制四個(gè)依次向定子線圈L1-L4提供電流的晶體管。（5）轉(zhuǎn)速測量方法如圖11所示。將小磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖霍爾IC。轉(zhuǎn)數(shù)可以通過計(jì)數(shù)器測量脈沖數(shù)來獲得，每單位時(shí)間的轉(zhuǎn)數(shù)就是轉(zhuǎn)速。

　?。?）圖12顯示霍爾液位控制方法。把磁鐵固定在花車上。當(dāng)液位上升，磁體接近霍爾開關(guān)集成電路A時(shí)，AN的狀態(tài)顛倒，控制電路使泵停止工作。當(dāng)水池中的液位下降時(shí)，浮子上的磁鐵作用于霍爾開關(guān)B。控制電路使泵工作。

　　（7）非接觸式電位器的應(yīng)用電路如圖13所示，霍爾線性IC和雙基極二極管構(gòu)成張弛振蕩器。振蕩器輸出脈沖的形成和兩個(gè)脈沖之間的間隔取決于輸出電壓霍爾IC。用霍爾IC控制雙向可控硅導(dǎo)通角可以起到功率調(diào)節(jié)的作用。

　?。?） 汽車電子點(diǎn)火器電路如圖14所示，當(dāng)車用啟動(dòng)磁鋼霍爾IC作用時(shí)，開關(guān)型IC輸出低電平，V1、V2突然切斷，L中儲存的磁能在L、C2通道中振動(dòng)，形成約200V交變電壓，然后通過整個(gè)L增壓產(chǎn)生15kV以上的高壓，產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的燃油。

　?。?） 無觸點(diǎn)交流開關(guān)如圖15所示，當(dāng)磁體接近霍爾開關(guān)IC、SCR時(shí)，切斷；磁鐵離開后，單向可控硅打開，負(fù)載繼續(xù)工作（10）無線防盜報(bào)警器，如圖16所示。當(dāng)門窗上的小磁鐵接近霍爾開關(guān)IC、IC時(shí)，輸出低電平，V因無平坦位置而切斷；然而，當(dāng)門窗移位時(shí)，小磁鐵與IC分離，V偏R2，電路振動(dòng)，發(fā)出無線電報(bào)警信號。

　　5、 霍爾IC霍爾集成電路電壓范圍寬，但實(shí)際電壓應(yīng)低而非高，一般為4.5-6V。電源電壓過高會導(dǎo)致電路溫升，使電路不穩(wěn)定。2.開關(guān)型霍爾IC當(dāng)驅(qū)動(dòng)載荷時(shí)，其負(fù)載電流應(yīng)小于霍爾IC負(fù)載容量。為了使輸出電壓幅值霍爾更大，通常在輸出端增加電阻較大的負(fù)載電阻。3.當(dāng)霍爾IC驅(qū)動(dòng)的負(fù)載容量為感應(yīng)時(shí)，應(yīng)在輸出端添加連續(xù)電流二極管。4、在霍爾IC不同等級的驅(qū)動(dòng)載荷時(shí)，**好增加隔離緩沖級，可采用光電耦合器或三極管驅(qū)動(dòng)級。

　　5.遠(yuǎn)距離發(fā)送霍爾IC信號時(shí)，開關(guān)輸出與接地之間可加一個(gè)解耦電容器，消除干擾脈沖；同軸電纜應(yīng)用于傳輸線性霍爾IC輸出信號，但**大長度不得超過幾十米。

　　6、most霍爾IC的磁感應(yīng)距離為5-10mm，在實(shí)際操作中應(yīng)進(jìn)行控制，信號發(fā)送磁鋼應(yīng)與霍爾IC的感應(yīng)點(diǎn)直接相對，以減小磁回路的磁阻，使信號發(fā)送檢測可靠準(zhǔn)確。

　　為了提高開關(guān)或線性霍爾IC的磁感應(yīng)靈敏度，可以使用小磁鐵來增強(qiáng)磁偏壓或增加發(fā)射磁鐵的面積。