霍爾效應(yīng)原理與霍爾IC輸出特性圖詳細(xì)分析

什么是霍爾效應(yīng)？霍爾效應(yīng)傳感器的工作原理是什么？

霍爾效應(yīng)是測(cè)量磁場(chǎng)最常用的方法，霍爾效應(yīng)傳感器非常受歡迎，并具有許多當(dāng)代應(yīng)用。例如，它們可以作為輪速傳感器以及曲軸或凸輪軸位置傳感器在車(chē)輛中找到。此外，它們還經(jīng)常用作開(kāi)關(guān)、MEMS指南針、接近傳感器等。現(xiàn)在我們將介紹其中的一些傳感器，看看它們是如何工作的，但首先讓我們解釋一下什么是霍爾效應(yīng)。

什么是霍爾效應(yīng)？

以下是解釋霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)：如果我們有薄導(dǎo)電板，如圖所示，并且我們?cè)O(shè)置電流流過(guò)它，電荷載流子將從板的一側(cè)直線流向另一側(cè)。

現(xiàn)在，如果我們?cè)诎甯浇鼛?lái)一些磁場(chǎng)，我們會(huì)由于一種稱(chēng)為洛倫茲力的力而擾亂電荷載流子的直線流動(dòng)。在這種情況下，電子將偏轉(zhuǎn)到板的一側(cè)，而正空穴將偏轉(zhuǎn)到板的另一側(cè)。這意味著如果我們現(xiàn)在在其他兩側(cè)之間放置一個(gè)儀表，我們將得到一些可以測(cè)量的電壓。

因此，正如我們上面所解釋的，獲得可測(cè)量電壓的效果被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，以埃德溫·霍爾（Edwin Hall）的名字命名，他在1879年發(fā)現(xiàn)了它。

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)磁傳感器的基本霍爾元件大多提供每高斯僅幾微伏的非常小的電壓，因此，這些器件通常使用內(nèi)置高增益放大器制造。

霍爾效應(yīng)傳感器有兩種類(lèi)型，一種提供模擬輸出，另一種提供數(shù)字輸出。模擬傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件和放大器組成。從電路原理圖中我們可以看到，傳感器的輸出是模擬的，與霍爾元件輸出或磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這些類(lèi)型的傳感器因其連續(xù)的線性輸出而適合并用于測(cè)量接近度。

另一方面，數(shù)字輸出傳感器僅提供兩種輸出狀態(tài)，即“ON”或“OFF”。這些類(lèi)型的傳感器有一個(gè)附加元件，如電路原理圖所示。這就是施密特觸發(fā)器，它提供遲滯或兩個(gè)不同的閾值電平，因此輸出要么高要么低。有關(guān)施密特觸發(fā)器如何工作的更多詳細(xì)信息，您可以查看我的特定教程。

此類(lèi)傳感器的一個(gè)例子是霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)。它們通常用作限位開(kāi)關(guān)，例如在3D打印機(jī)和CNC機(jī)器中，以及用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的檢測(cè)和定位。

這些傳感器的其他當(dāng)代應(yīng)用包括測(cè)量車(chē)輪/轉(zhuǎn)子速度或轉(zhuǎn)速，以及確定曲軸或凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的位置。這些傳感器由霍爾元件和永磁體組成，永磁體放置在連接在旋轉(zhuǎn)軸上的齒盤(pán)附近。

傳感器和圓盤(pán)齒之間的間隙非常小，因此每次齒經(jīng)過(guò)傳感器附近時(shí)，它都會(huì)改變周?chē)拇艌?chǎng)，從而導(dǎo)致傳感器的輸出變高或變低。因此，傳感器的輸出是方波信號(hào)，可以很容易地用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的RPM。

霍爾效應(yīng)是最常見(jiàn)的測(cè)量磁場(chǎng)的方法，霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾器件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。

霍爾效應(yīng)傳感器器件分為：霍爾元件（Hall element）和霍爾集成電路（Hall IC）兩大類(lèi)，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。霍爾集成電路是隨著半導(dǎo)體集成電路工業(yè)的發(fā)展近20年才出現(xiàn)的產(chǎn)品，但因它體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污污染，成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了極其廣泛的應(yīng)用。

霍爾集成電路有很多其他稱(chēng)呼， 如：霍爾效應(yīng)集成電路（Hall Effect IC），霍爾效應(yīng)傳感集成電路（Hall Effect Sensor IC），霍爾傳感器（Hall Sensor），霍爾電路，霍爾IC。Hall有時(shí)也被翻譯成霍耳，所以也可稱(chēng)霍耳集成電路等。以下簡(jiǎn)稱(chēng)霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號(hào)類(lèi)型分為數(shù)字霍爾IC和線性霍爾IC。數(shù)字霍爾IC通過(guò)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類(lèi)似開(kāi)關(guān)的作用，因此常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型霍爾IC。線性霍爾IC輸出為模擬信號(hào)，輸出電壓與外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱通常成線性關(guān)系。

開(kāi)關(guān)型霍爾IC常又分為單級(jí)型霍爾IC（Unipolar）、鎖定型霍爾IC（Latch）、雙級(jí)型 霍爾IC（Bipolar）、全級(jí)型霍爾IC（Omnipolar）四類(lèi)。為便于說(shuō)明，按通常約定，當(dāng)外加 磁場(chǎng)的南極（S極）接近霍爾IC打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾IC上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?，?dāng)北極 （N極）接近標(biāo)志面時(shí)，磁場(chǎng)為負(fù)。

單級(jí)型霍爾IC：經(jīng)常被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)霍爾IC、霍爾開(kāi)關(guān)（Hall Switch）、霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)（Hall Effect Switch）。只對(duì)單個(gè)磁極（常為S極）有響應(yīng)。如圖1，大多數(shù)單極霍爾IC，當(dāng)S極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)工作點(diǎn)（BOP）時(shí)（即B》BOP》0），輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)（BRP）（即0

圖1 單極型霍爾 IC 輸出特性圖

鎖定型霍爾IC：必須S極和N極交替作用于霍爾IC。如圖2，大多數(shù)鎖存型霍爾IC，當(dāng) S極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)工作點(diǎn)（BOP）（即B》BOP》0）時(shí)，輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱直至撤除（B=0），輸出保持導(dǎo)通。當(dāng)N極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)釋放點(diǎn)（BRP）（即B

圖2 鎖存型霍爾 IC 輸出特性圖

全級(jí)霍爾IC：是較新出現(xiàn)的類(lèi)型，將S極和N極等同對(duì)待。一般情況下，如圖3，任何一 個(gè)磁極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)工作點(diǎn)（BOP）（即|B|》BOP）， 輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)（BRP）（即|B|

圖3 全極型霍爾 IC 輸出特性圖

雙級(jí)型霍爾IC：是比較早期的一種類(lèi)型，最初因半導(dǎo)體工藝限制，生產(chǎn)出較的霍爾IC靈敏度分布范圍很大，一致性差。同一型號(hào)霍爾，如圖4，部分是鎖存型的（中間曲線），部 分是單極型的（右邊曲線），部分是N極單極型的（右邊曲線），是三種的混合體。往往指標(biāo)只給出最大BOP（》0）和最小BRP（

圖4 雙極型霍爾 IC 輸出特性圖

線性霍爾IC：輸出為模擬信號(hào)，輸出電平在一定的范圍類(lèi)與外加磁場(chǎng)成線性關(guān)系，稱(chēng)為線性磁場(chǎng)范圍。外加磁場(chǎng)超出線性磁場(chǎng)范圍，將不再成線性關(guān)系，直至輸出飽和，有最低 輸出飽和電壓和最高輸出飽和電壓。

圖5 線性霍爾 IC 輸出特性圖

以上是簡(jiǎn)單常用的霍爾IC，除了這些，近幾年還出現(xiàn)了一些集成度高、功能復(fù)雜的專(zhuān)用霍爾 IC，如差分霍爾IC（雙霍爾 IC），集成 ADC、DAC 和信號(hào)處理電路的旋轉(zhuǎn)位置傳感器、三軸位置傳感器，集成了電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)電路的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。此外，利用霍爾原理設(shè)計(jì)的電流傳感器IC也是霍爾IC的一大類(lèi)別。