霍爾效應(yīng)的工作原理

霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。如果對位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電流(Iv)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。

迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。

霍爾效應(yīng)IC，這些無觸點(diǎn)的磁觸發(fā)開關(guān)與傳感器 IC 不僅能簡化電氣和機(jī)械系統(tǒng)，還能提高系統(tǒng)的性能。

低成本簡化開關(guān)

高效、精確、低成本的線性傳感器 IC

適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路

應(yīng)用

霍爾效應(yīng)：工作原理？

線性輸出霍爾效應(yīng)器件

數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)

工作狀態(tài)

特性與公差

低成本簡化開關(guān)

簡化開關(guān)是霍爾傳感器 IC 的強(qiáng)項(xiàng)?；魻栃?yīng) IC 開關(guān)在單個(gè)集成電路芯片中融合了霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、施密特觸發(fā)電路和晶體管輸出電路。其輸出干凈、迅速且不會發(fā)生開關(guān)跳躍（機(jī)械開關(guān)的固有問題）。霍爾開關(guān)通常以最高 100 kHz 的重復(fù)頻率工作，而且比普通的電動機(jī)械開關(guān)的成本要少很多。

高效、精確、低成本的線性傳感器 IC

線性霍爾效應(yīng)傳感器采用磁偏探測電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場強(qiáng)度中的運(yùn)動、位置或變化。能耗極低。輸出是線性的，而且溫度穩(wěn)定。傳感器 IC 的頻率響應(yīng)平直，最高約為 25 kHz。

與電感或光電子傳感器相比，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 更高效、更精確，成本也更低。

適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 能有效抵御環(huán)境中的有害物質(zhì)，所以適用于在環(huán)境惡劣的條件下工作。這種電路非常靈敏，并能在緊公差應(yīng)用中提供可靠、重復(fù)的操作。?

應(yīng)用

霍爾效應(yīng) IC 目前可用于點(diǎn)火系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、測微計(jì)、機(jī)械極限開關(guān)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、鍵盤、機(jī)床、鑰匙開關(guān)和按鈕開關(guān)。它們還能用于轉(zhuǎn)速計(jì)取樣、限流開關(guān)、位置檢測器、選擇器開關(guān)、電流傳感器、線性電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)編碼器和無刷直流電機(jī)整流器。

霍爾效應(yīng)：工作原理？

基本霍爾元件是一小片半導(dǎo)體材料，也稱霍爾元件或有效面積，如圖 1 所示。

圖 1.霍爾效應(yīng)器件的有效面積原理圖，其中霍爾元件由標(biāo)有 X 的組件表示。

圖 2 所示的恒壓電源產(chǎn)生的恒定偏置電流，即 IBIAS，會在半導(dǎo)體片材內(nèi)流動。輸出電壓 VHALL 可沿片材的寬度方向測量。在無磁場的情況下，VHALL 的數(shù)值可以忽略。

圖 2。無磁場時(shí)的 VHALL

如果將偏壓霍爾元件放在通量線與偏置電流垂直（參閱圖 3）的磁場中，電壓輸出的變化會與磁場強(qiáng)度成正比。這就是在霍爾 (E. F. Hall) 于 1879 年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)。

圖 3。與偏置電流垂直的磁通量（綠色箭頭）產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)（感應(yīng) VHALL）。

線性輸出霍爾效應(yīng)器件

基本霍爾元件的輸出電壓很小。這會產(chǎn)生問題，特別是在電氣噪聲環(huán)境中。在電路中添加一個(gè)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì) DC 放大器和電壓調(diào)整器（參閱圖 4 和 圖 5）不僅能有效改善傳感器輸出，還能允許霍爾效應(yīng)器件在更廣的電壓范圍內(nèi)工作。改造后的器件能提供易于使用的模擬輸出，這種線性輸出與應(yīng)用的磁通量密度成比例。

圖 4。帶 VHALL 放大的霍爾電路

圖 5。具有電壓調(diào)整器和 DC 放大器的霍爾效應(yīng)器件

數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)

增加內(nèi)置磁滯的施密特觸發(fā)閾值檢測器，如圖 6 所示，能使霍爾效應(yīng)電路具備數(shù)字輸出功能。當(dāng)施加的磁通量密度超過一定限制時(shí)，觸發(fā)器會準(zhǔn)確地將關(guān)閉狀態(tài)切換成開啟狀態(tài)，而不必出現(xiàn)觸點(diǎn)顫動。內(nèi)置磁滯會產(chǎn)生一個(gè)磁盲區(qū)，在經(jīng)過閾值后，該區(qū)域中的開關(guān)動作會禁用，從而能消除振蕩（亂真輸出開關(guān)）。

圖 6。具有數(shù)字輸出功能的霍爾電路

為電路增加集電極開路 NPN 或 N 溝道場效應(yīng) (NFET) 晶體管（參閱圖 7），能使開關(guān)具備數(shù)字邏輯兼容功能。場效應(yīng)管是一種飽和開關(guān)，它會在施加的磁通量密度大于器件開啟跳變點(diǎn)的地方，對輸出終端進(jìn)行接地短路。開關(guān)能兼容所有數(shù)字產(chǎn)品系列。輸出晶體管能吸收足夠的電流，以直接驅(qū)動多種負(fù)載，包括繼電器、三端雙向晶閘管、可控硅整流器 (SCR) 和燈具。

圖 7?；魻栭_關(guān)的常用電路元件

圖 7 所示的電路元件焊裝在單晶硅片上，并在小型環(huán)氧或陶瓷封裝內(nèi)密封壓制，它們是所有霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的常用電路元件?；魻栃?yīng)器件類型之間的區(qū)別主要是規(guī)格的差異，如磁力性參數(shù)、工作溫度范圍和溫度系數(shù)。

工作狀態(tài)

所有霍爾效應(yīng)器件均由磁場激活。必須為器件安裝底座并提供電氣連接。包括加載電流、環(huán)境條件和電源電壓必須在數(shù)據(jù)表所示的極限范圍內(nèi)。

磁場有兩個(gè)重要特性：磁通量密度 B（主要指磁場強(qiáng)度）和磁場極性（磁北極或磁南極）。對霍爾效應(yīng)器件而言，與其有源區(qū)相關(guān)的磁場方向也很重要。霍爾效應(yīng)器件的有效面積（霍爾元件）埋置在硅片上，該硅片與封裝的一個(gè)特定面平行并略靠近其內(nèi)部。該表面也被稱為標(biāo)記面，因?yàn)樗ǔＪ菢?biāo)記型號的一面（每個(gè)器件的數(shù)據(jù)表都會顯示距離印記面的有效面積深度）。為使開關(guān)以最佳狀態(tài)工作，必須保證磁通量線以垂直方式橫越有效面積（平面霍爾元件的印記面或垂直霍爾元件的感應(yīng)邊緣），而且必須在橫越時(shí)具有正確的極性。因?yàn)橛行娣e更靠近封裝包背部的印記面，并暴露在硅片的印記面一側(cè)，所以采用這種朝向能產(chǎn)生更清晰的信號。

在無磁場的情況下，大多數(shù)霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)都會關(guān)閉（輸出開路）。只有存在有足夠磁通量密度的磁場，并且沿正確的方向具有正確的極性時(shí)，這些開關(guān)才會開啟。例如，磁南極靠近印記面會執(zhí)行開關(guān)動作，而磁北極不會產(chǎn)生任何影響。在應(yīng)用中，將一小塊永久磁體的磁南極靠近平面霍爾開關(guān)的印記面或垂直霍爾開關(guān)的感應(yīng)邊緣（參閱圖 8）會使輸出晶體管開啟。磁體從任意方向接近時(shí)，3D 霍爾開關(guān)的輸出將打開。

圖 8。磁體相對于器件有效面積的平面和中心線的運(yùn)動，使霍爾效應(yīng)器件開始工作

可使用轉(zhuǎn)移特性曲線，以圖表形式闡釋該原理。圖 9 和圖 10 顯示了隨霍爾元件中存在的磁通量密度 B（單位：高斯 (G)；1 G = 0.1 mT）變化的輸出電壓。橫軸顯示的是磁通量密度?？v軸顯示的是霍爾開關(guān)的數(shù)字輸出。注意，此處應(yīng)用了代數(shù)符號約定，即增加的正值 B 表示增強(qiáng)的南極磁場，增加的負(fù)值 B 表示增強(qiáng)的北極磁場。例如，+200 B 磁場和 –200 B 磁場的強(qiáng)度相同，但具有相反的極性（分別是磁南極與磁北極）。

如圖 9 所示，在無磁場 (0 G) 的情況下，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，在外部上拉電阻器的作用下輸出電壓等于電源電壓 (12 V)。然后使永久磁體的磁南極沿垂直方向靠近器件的有效面積。當(dāng)磁南極靠近開關(guān)的印記面（平面霍爾元件）或感應(yīng)邊緣（垂直霍爾元件）時(shí)，霍爾元件會暴露在逐漸增強(qiáng)的正磁通量密度下。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)（本例中為 240 G）時(shí)，輸出晶體管會啟動，輸出電壓達(dá)到 0 V。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 工作點(diǎn)，BOP。繼續(xù)提高磁場強(qiáng)度不會產(chǎn)生影響；開關(guān)已經(jīng)打開，并會一直保持開啟。應(yīng)用到霍爾效應(yīng)傳感器的磁場強(qiáng)度沒有上限。

圖 9。逐漸靠近的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷增大，從而激活了霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（開啟）

由于內(nèi)置磁滯的作用，因此要關(guān)閉開關(guān)，必須使磁通量密度的數(shù)值遠(yuǎn)低于 240 G 工作點(diǎn)（此類圖表有時(shí)被稱為磁滯圖表）。在本例中，我們使用 90 G 磁滯，也就是說，當(dāng)磁通量密度減小到 150 G（圖 10）時(shí)，器件會關(guān)閉。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 釋放點(diǎn)，BRP。

圖 10。逐漸遠(yuǎn)離的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷減小，從而停用霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（關(guān)閉）

為從該圖中獲取數(shù)據(jù)，需要增加一個(gè)電源和負(fù)載電阻，以限制通過輸出晶體管的電流，并使輸出電壓的數(shù)值接近 0 V（參閱圖 11）。

圖 11。轉(zhuǎn)移特性圖表的測試電路

特性與公差

啟動和關(guān)閉霍爾開關(guān)所需的準(zhǔn)確磁通量密度值會因多種因素的影響而不同，其中包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造公差。極端溫度條件也會對工作狀態(tài)和釋放點(diǎn)產(chǎn)生一定程度的影響，經(jīng)常也被稱為開關(guān)閾值或開關(guān)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)表提供了與每種器件類型的工作點(diǎn)、釋放點(diǎn)數(shù)值和磁滯相對應(yīng)的最壞情況下的磁特性。

必須保證達(dá)到或低于最大工作點(diǎn)磁通量密度時(shí)，所有開關(guān)都會開啟。當(dāng)磁場減弱時(shí)，所有器件都會在磁通量密度降至最小釋放點(diǎn)數(shù)值以下前關(guān)閉。必須保證每種器件都保留最少量的磁滯，以確保開關(guān)動作清楚準(zhǔn)確。這種磁滯能確保開關(guān)輸出迅速、準(zhǔn)確，而且只會在每次閾交時(shí)進(jìn)行，即使在機(jī)械振動或電氣噪聲環(huán)境下也是如此。

審核編輯：湯梓紅