霍爾效應原理與霍爾IC輸出特性圖詳細分析

什么是霍爾效應？霍爾效應傳感器的工作原理是什么？

霍爾效應是測量磁場最常用的方法，霍爾效應傳感器非常受歡迎，并具有許多當代應用。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輛中找到。此外，它們還經(jīng)常用作開關、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。

什么是霍爾效應？

以下是解釋霍爾效應的實驗：如果我們有薄導電板，如圖所示，并且我們設置電流流過它，電荷載流子將從板的一側(cè)直線流向另一側(cè)。

現(xiàn)在，如果我們在板附近帶來一些磁場，我們會由于一種稱為洛倫茲力的力而擾亂電荷載流子的直線流動。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)之間放置一個儀表，我們將得到一些可以測量的電壓。

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

霍爾效應傳感器

霍爾效應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。

霍爾效應傳感器有兩種類型，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強度成正比。這些類型的傳感器因其連續(xù)的線性輸出而適合并用于測量接近度。

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”。這些類型的傳感器有一個附加元件，如電路原理圖所示。這就是施密特觸發(fā)器，它提供遲滯或兩個不同的閾值電平，因此輸出要么高要么低。有關施密特觸發(fā)器如何工作的更多詳細信息，您可以查看我的特定教程。

此類傳感器的一個例子是霍爾效應開關。它們通常用作限位開關，例如在3D打印機和CNC機器中，以及用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中的檢測和定位。

這些傳感器的其他當代應用包括測量車輪/轉(zhuǎn)子速度或轉(zhuǎn)速，以及確定曲軸或凸輪軸在發(fā)動機系統(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)軸上的齒盤附近。

傳感器和圓盤齒之間的間隙非常小，因此每次齒經(jīng)過傳感器附近時，它都會改變周圍的磁場，從而導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，可以很容易地用于計算旋轉(zhuǎn)軸的RPM。

霍爾效應是最常見的測量磁場的方法，霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾器件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。

霍爾效應傳感器器件分為：霍爾元件（Hall element）和霍爾集成電路（Hall IC）兩大類，前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。霍爾集成電路是隨著半導體集成電路工業(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，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污污染，成本低等優(yōu)點，使其得到了極其廣泛的應用。

霍爾集成電路有很多其他稱呼， 如：霍爾效應集成電路（Hall Effect IC），霍爾效應傳感集成電路（Hall Effect Sensor IC），霍爾傳感器（Hall Sensor），霍爾電路，霍爾IC。Hall有時也被翻譯成霍耳，所以也可稱霍耳集成電路等。以下簡稱霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號類型分為數(shù)字霍爾IC和線性霍爾IC。數(shù)字霍爾IC通過外部磁場的強弱控制輸出導通或關斷，類似開關的作用，因此常稱為開關型霍爾IC。線性霍爾IC輸出為模擬信號，輸出電壓與外部磁場的強弱通常成線性關系。

開關型霍爾IC常又分為單級型霍爾IC（Unipolar）、鎖定型霍爾IC（Latch）、雙級型 霍爾IC（Bipolar）、全級型霍爾IC（Omnipolar）四類。為便于說明，按通常約定，當外加 磁場的南極（S極）接近霍爾IC打有標志的一面時，作用到霍爾IC上的磁場方向為正，當北極 （N極）接近標志面時，磁場為負。

單級型霍爾IC：經(jīng)常被稱為開關霍爾IC、霍爾開關（Hall Switch）、霍爾效應開關（Hall Effect Switch）。只對單個磁極（常為S極）有響應。如圖1，大多數(shù)單極霍爾IC，當S極面向標記面，且施加的磁感應強度B超過工作點（BOP）時（即B》BOP》0），輸出導通， 輸出由高變低。當磁感應強度減弱低于釋放點（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 S極面向標記面，且施加的磁感應強度超過工作點（BOP）（即B》BOP》0）時，輸出導通， 輸出由高變低。當磁感應強度減弱直至撤除（B=0），輸出保持導通。當N極面向標記面，且施加的磁感應強度超過釋放點（BRP）（即B

圖2 鎖存型霍爾 IC 輸出特性圖

全級霍爾IC：是較新出現(xiàn)的類型，將S極和N極等同對待。一般情況下，如圖3，任何一 個磁極面向標記面，且施加的磁感應強度B超過工作點（BOP）（即|B|》BOP）， 輸出導通， 輸出由高變低。當磁感應強度減弱低于釋放點（BRP）（即|B|

圖3 全極型霍爾 IC 輸出特性圖

雙級型霍爾IC：是比較早期的一種類型，最初因半導體工藝限制，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，輸出電平在一定的范圍類與外加磁場成線性關系，稱為線性磁場范圍。外加磁場超出線性磁場范圍，將不再成線性關系，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、功能復雜的專用霍爾 IC，如差分霍爾IC（雙霍爾 IC），集成 ADC、DAC 和信號處理電路的旋轉(zhuǎn)位置傳感器、三軸位置傳感器，集成了電機控制和驅(qū)動電路的無刷電機驅(qū)動芯片。此外，利用霍爾原理設計的電流傳感器IC也是霍爾IC的一大類別。