霍爾效應的工作原理

霍爾效應在應用技術中特別重要。如果對位于磁場(B)中的導體(d)施加一個電流(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生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應。

迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應用的霍爾器件有：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、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉速及曲軸角度傳感器、各種開關，等等。

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

低成本簡化開關

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

應用

霍爾效應：工作原理？

線性輸出霍爾效應器件

數(shù)字輸出霍爾效應開關

工作狀態(tài)

特性與公差

低成本簡化開關

簡化開關是霍爾傳感器 IC 的強項。霍爾效應 IC 開關在單個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)生開關跳躍（機械開關的固有問題）。霍爾開關通常以最高 100 kHz 的重復頻率工作，而且比普通的電動機械開關的成本要少很多。

高效、精確、低成本的線性傳感器 IC

線性霍爾效應傳感器采用磁偏探測電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場強度中的運動、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 的頻率響應平直，最高約為 25 kHz。

與電感或光電子傳感器相比，霍爾效應傳感器 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

霍爾效應傳感器 IC 能有效抵御環(huán)境中的有害物質，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，并能在緊公差應用中提供可靠、重復的操作。?

應用

霍爾效應 IC 目前可用于點火系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、測微計、機械極限開關、計算機、打印機、磁盤驅動器、鍵盤、機床、鑰匙開關和按鈕開關。它們還能用于轉速計取樣、限流開關、位置檢測器、選擇器開關、電流傳感器、線性電位計、旋轉編碼器和無刷直流電機整流器。

霍爾效應：工作原理？

基本霍爾元件是一小片半導體材料，也稱霍爾元件或有效面積，如圖 1 所示。

圖 1.霍爾效應器件的有效面積原理圖，其中霍爾元件由標有 X 的組件表示。

圖 2 所示的恒壓電源產生的恒定偏置電流，即 IBIAS，會在半導體片材內流動。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。

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

線性輸出霍爾效應器件

基本霍爾元件的輸出電壓很小。這會產生問題，特別是在電氣噪聲環(huán)境中。在電路中添加一個穩(wěn)定的優(yōu)質 DC 放大器和電壓調整器（參閱圖 4 和 圖 5）不僅能有效改善傳感器輸出，還能允許霍爾效應器件在更廣的電壓范圍內工作。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。具有電壓調整器和 DC 放大器的霍爾效應器件

數(shù)字輸出霍爾效應開關

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

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 (NFET) 晶體管（參閱圖 7），能使開關具備數(shù)字邏輯兼容功能。場效應管是一種飽和開關，它會在施加的磁通量密度大于器件開啟跳變點的地方，對輸出終端進行接地短路。開關能兼容所有數(shù)字產品系列。輸出晶體管能吸收足夠的電流，以直接驅動多種負載，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)氧或陶瓷封裝內密封壓制，它們是所有霍爾效應數(shù)字開關的常用電路元件?；魻栃骷愋椭g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。

磁場有兩個重要特性：磁通量密度 B（主要指磁場強度）和磁場極性（磁北極或磁南極）。對霍爾效應器件而言，與其有源區(qū)相關的磁場方向也很重要?；魻栃骷挠行娣e（霍爾元件）埋置在硅片上，該硅片與封裝的一個特定面平行并略靠近其內部。該表面也被稱為標記面，因為它通常是標記型號的一面（每個器件的數(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邊緣），而且必須在橫越時具有正確的極性。因為有效面積更靠近封裝包背部的印記面，并暴露在硅片的印記面一側，所以采用這種朝向能產生更清晰的信號。

在無磁場的情況下，大多數(shù)霍爾效應數(shù)字開關都會關閉（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，這些開關才會開啟。例如，磁南極靠近印記面會執(zhí)行開關動作，而磁北極不會產生任何影響。在應用中，將一小塊永久磁體的磁南極靠近平面霍爾開關的印記面或垂直霍爾開關的感應邊緣（參閱圖 8）會使輸出晶體管開啟。磁體從任意方向接近時，3D 霍爾開關的輸出將打開。

圖 8。磁體相對于器件有效面積的平面和中心線的運動，使霍爾效應器件開始工作

可使用轉移特性曲線，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的數(shù)字輸出。注意，此處應用了代數(shù)符號約定，即增加的正值 B 表示增強的南極磁場，增加的負值 B 表示增強的北極磁場。例如，+200 B 磁場和 –200 B 磁場的強度相同，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，開關處于關閉狀態(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。當磁南極靠近開關的印記面（平面霍爾元件）或感應邊緣（垂直霍爾元件）時，霍爾元件會暴露在逐漸增強的正磁通量密度下。當磁場強度達到臨界點（本例中為 240 G）時，輸出晶體管會啟動，輸出電壓達到 0 V。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 工作點，BOP。繼續(xù)提高磁場強度不會產生影響；開關已經打開，并會一直保持開啟。應用到霍爾效應傳感器的磁場強度沒有上限。

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

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

圖 10。逐漸遠離的磁南極產生的磁通量不斷減小，從而停用霍爾開關的轉移特性（關閉）

為從該圖中獲取數(shù)據(jù)，需要增加一個電源和負載電阻，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。轉移特性圖表的測試電路

特性與公差

啟動和關閉霍爾開關所需的準確磁通量密度值會因多種因素的影響而不同，其中包括設計標準和制造公差。極端溫度條件也會對工作狀態(tài)和釋放點產生一定程度的影響，經常也被稱為開關閾值或開關點。

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

必須保證達到或低于最大工作點磁通量密度時，所有開關都會開啟。當磁場減弱時，所有器件都會在磁通量密度降至最小釋放點數(shù)值以下前關閉。必須保證每種器件都保留最少量的磁滯，以確保開關動作清楚準確。這種磁滯能確保開關輸出迅速、準確，而且只會在每次閾交時進行，即使在機械振動或電氣噪聲環(huán)境下也是如此。

審核編輯：湯梓紅