霍尔开关工作原理

发布时间:2012-11-8 阅读量:2083 来源: 我爱方案网 作者:

霍尔开关工作原理
        把一块不怎么导电的物体至于磁场之中,比如磁力线向北,当你给他施加从西向东的电流,根据高中物理中的左手定则,这个电流会受到一个向上的力.这时你把电流表的正极放在物体的上边,负极接在物体的下边,电流表中就会有电流通过.这是由于向东去的电流受到向上的力而进入电流表的正极的缘故.如果失去了磁场,电流向上的力就不会存在,电流表中就没有电流.由此可以检验磁场的存在.通常进入电流表的电流比较微弱,需用放大电路进行放大,放大之后的电流再去控制开关(实际上是一个继电器),这就是霍尔开关.磁带录像机中就有霍尔开关.

                          图4.霍尔效应原理

        当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时,薄片的两端就会产生电位差,这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U,其表达式为:

U=KIB/d   (1)

式中,K为霍尔系数,I为薄片中通过的电流,B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz)的磁感应强度,d是薄片的厚度。由此可见,霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比。

霍尔开关属于有源磁电转换器件,它是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成,可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号,同时,又可满足工业场合实际应用中易操作和可靠性的要求。

霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点,其内部用环氧树脂封灌成一体化,所以能在各类恶劣环境下可靠应用于接近开关、压力开关、里程表等方面,是一种新型的电器配件。其内部原理图如图1所示。
 



霍尔开关的工作原理

    霍尔集成电路霍尔元件与电子线路一体化的产品,它是由霍尔元件、放大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知一切与磁有关的物理量,又能输出相关的电控信息,所以霍尔集成电路既是一种集成电路,又是一种磁敏传感器,它一般采用DIP或扁平封装。

一、霍尔集成电路的原理

   当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时,薄片两侧由此会产生电位差,此现象称为霍尔效应。此电位差称为霍尔电势,电势的大小E=KIB/d,式中K是霍尔系数,d为薄片的厚度,I为电流,B为磁感应强度。图1示出霍尔效应的原理:在三维空间内,霍尔半导体平板在XOY平面内,它与磁场方向垂直,磁场指向Y轴的方向,沿X轴方向通以电流I,由于运动的电荷与磁场的相互作用,结果在Z轴方向上产生了霍尔电势E,一般其值可达几十毫伏。为此,将霍尔元件与电子线路集成在一块约*的硅基片上,就做成了温度稳定性好、可靠性高的霍尔集成电路。


二、典型霍尔集成电路结构分析

   霍尔集成电路按输出方式可分为线性型和开关型,若按集成电路内部的有源器件可分为双极型和MOS型。图2、图3分别示出了一种双极型霍尔集成电路内部的原理结构和逻辑结构,图2为开关型的,图3为线性型的。
    在图2中IC内通过霍尔元件H的磁性检测反映为高低电平的输出。V1、V2组成差分放大器,它将霍尔电势放大,其放大倍数约几十倍;V3、V4组成施密特触发器,它将放大的霍尔电势整形为矩形脉冲;V5、V6进一步对矩形脉冲缓冲放大;V7、V8为开路集电极输出管。图中有两个输出端,这里之所以采用集电极开路输出结构,是因为它可以有较大的负载能力,且易于与不同类型的电路接口,但亦有部分霍尔集成电路采用发射极开路输出形式,如图2b、所示。
    图3所示是线性霍尔集成电路的内部结构,其输出电压能随外加磁场强度的变化而连续变化,其输出变化曲线一般如图4所示。它的特点是灵敏度高,输出动态范围宽、线性度好。图中V1、V2为差分放大器,R1、R2射极电阻的负反馈展宽了电路的线性范围,V5、V6第二级差分放大使放大倍数很高。有的线性霍尔集成电路还设置了引出端外接电位器进行补偿、调零或改变电路的灵敏度。

三、霍尔集成电路的应用

    霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高、工作频率高的特点,它能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作。对于开关型霍尔IC,其最基本的应用是作为一种接近开关,如可用作霍尔无触点开关、限位开关、方向开关、压力开关、转速表等;线性型霍尔IC可用于非接触测距、无触点电位器、无刷马达、磁场测量的高斯计、磁力探伤等。
    对于开关型霍尔IC,其输出端内部一般为开路集电极晶体管或开路发射极输出器形式,因此它能方便地与各种负载配接,如可直接驱动晶体管、LED、光电耦合器、单双向晶闸管和小电流继电器等,并能和TTL及CMOS数字电路、PLC输入口、固态继电器、各种交直流电子开关接口。图5~图6示出各种驱动接口方式,其中图5中的霍尔IC为开路集电极输出,图6中的霍尔IC为开路发射极输出形式。
















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