第八章霍尔传感器PPT讲稿.ppt

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1、第八章霍尔传感器第1页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/252第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b第2页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/253磁感应强度磁感应强度B B 较大时

2、的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔尔电电势势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB第3页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/254霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端方向的端面之间建立起霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b第4页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/255磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁

3、场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比，成正比，且当且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如

4、果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。第5页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/256霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？至正的多少高斯？线性区线性区第6页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/257霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续）最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故

5、在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5A 0.1mA 2mA 80mA5A 0.1mA 2mA 80mA 第7页，共45页，编辑于2022年，星期三霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性

6、参数1、输入电阻Ri2、输出电阻Ro3、灵敏度Kh4、不等位电势5、最大的磁感应强度6、霍尔电动势的温度系数2023/1/258第8页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/259第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。

7、等。线性型三端线性型三端 霍霍尔集成电路尔集成电路第9页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2510线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围第10页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2511

8、开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。

9、等。第11页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2512开关型霍尔集成电路的开关型霍尔集成电路的外形及内部电路外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触触发电路发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc第12页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2513开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.第13页，共45页，编辑于2022年，星期三开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线?第14

10、页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2515开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动大，抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？第15页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2516 第八章：第三节第八章：第三节 霍尔传感器的应用

11、霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量三个变量的函数，即的函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。有许多用途。第16页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2517霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件第17页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2518霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特

12、斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第18页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2519霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气气隙的隙的B值值第19页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2520霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小

13、脉冲信号经隔直、周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁第20页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2521霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。时，输出为低电平。第21页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1

14、/2522霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。控制刹车力的大小。带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器钢质钢质霍尔霍尔第22页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2523霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电起，就可产

15、生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第23页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2524霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无触采用霍尔式无触点电子点火装置能较点电子点火装置能较好地克服汽车合金触好地克服汽车合金触点点火时间不准确、点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。动力不足等缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头第24页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2525霍尔式无触点汽车

16、电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2-槽口槽口 3-分电器转轴分电器转轴 4-永久磁铁永久磁铁 5-霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC）a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关

17、系 第25页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2526霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续）当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为低电平，晶的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4

18、点火点火线圈铁心线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 当叶片槽口转当叶片槽口转到霍尔到霍尔IC面前时，面前时，霍尔霍尔IC输出跳变为输出跳变为高电平，经反相变高电平，经反相变为低电平，达林顿为低电平，达林顿管截止，切断点火管截止，切断点火线圈的低压侧电流。线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，由于没有续流元件，所以存储在点火线所以存储在点火线圈铁心中的磁场能圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出量在高压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。第26页，共45页，编辑于2022年，

19、星期三2023/1/2527汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的 点火点火控制器、霍尔传感器及点火总成控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成第27页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2528霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷维持电动机的正常运转

20、。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。的应用。普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器第28页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2529无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机第29页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2530无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动

21、机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内率管通断，使三相内定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具间产生连续转矩，具有效率高、无火花、有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。第30页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2531电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调调速速第31页，共45页，编辑于2022年，星期三

22、2023/1/2532光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构第32页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2533霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。第33页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2534霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭用于铁磁

23、材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。合磁场。在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关几毫米时，霍尔ICIC的输出由高电平变为低电的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔止移动（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。）起到限位的作用。第34页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2535霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔

24、IC IC T T第35页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2536霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。第36页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2537霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB

25、 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：第37页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2538其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器第38页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2539其他霍尔电流传其他霍尔电流传感器（续）感器（续）第39页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2540霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口第40页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2541霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的导被测电流的导线未放入铁心线未放入铁心时示值为零时示值为零70.9

26、A70.9A第41页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2542钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导导线由此穿过线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A第42页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2543霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁手指按下此处，将钳形表的铁心张开心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到

27、钳形表的环形铁心中 将空调电源的将空调电源的“三芯护套线三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？的示值为多少？为什么？第43页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2544霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，但漏磁稍大，但使用方便使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动电动机的相电流机的相电流第44页，共45页，编辑于2022年，星期三2023/1/2545霍尔式电流霍尔式电流谐波分析仪谐波分析仪 被测电流的谐被测电流的谐波频谱波频谱铁心的铁心的 开开合缝隙合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌第45页，共45页，编辑于2022年，星期三