霍尔元件

霍尔传感器及其应用

http://www.weixiu8.com/ 2007-10-26 21:22:38

霍尔传感器及其应用

对磁敏感的传感器称为磁敏传感器，主要有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及霍尔传感器等。本文介绍的是霍尔传感器及其应用。

以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。 霍尔效应与霍尔元件

金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍尔电压(如图l所示)。霍尔电势Uh=KhIcB(其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。

由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定的温度误差，目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。 霍尔集成传感器

随着半导体工艺技术的发展，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，成为霍尔集成传感器(目前习惯上称为霍尔传感器)。为了应用上的需要，霍尔集成传感器又分成线性型霍尔传感器及开关型霍尔传感器。根据使用要求不同又开发出不同性能的系列产品。这里仅介绍一些新型的典型产品及应用电路。

线性型霍尔传感器

这里介绍Honevwell公司的SS49系列及SS495系列。 1． SS49系列

SS49系列霍尔传感器是一种三端器件，它敏感于外界的磁感应强度，输出与磁感应强度成比例的电压信号。该元件的特点是：电源电压范围为4V-10V，随着电源电压增加，输出信号幅度增大，但线性度范围却缩小；静态工作电流较小，典型值为4mA，适用于便携式电池供电的场合；响应于N极或s极；在很宽的磁场范围内有较好的线性度；能有较大的输出电流的能力(10mA连续，20mA最大)；尺寸小(贴片式器件)。

该元件在不同工作电压时的输出特性如图2所示。

在5V工作电压、OT(特斯拉)时输出为2V。该元件的温度特性如图3所示，在温度范围较大时需加温度补偿。

该器件有TO-92封装及SOT-89贴片式封装，其管脚排列如图4所示。典型应用电路如图5所示，Rl为负载电阻。

2．SS495A1

ss495A1是高精度线性输出霍尔元件。该元件特点是：内部有温度补偿电路并由激光对电阻进行修正，使零点温漂为±0．04％／℃，灵敏度漂移为+0．02-±0．03％／℃；输出电压在-0.064T～+0.064T范围时为0．5v～4．5v(典型值)，它可以直接与单片机接口；OT时为2．5v±0．075V；灵敏度为

3．125±O．094；线性度误差为-1．0％量程)；工作温度范围-40℃～+150℃；工作电压范围为4．5v～10．5v，工作电流7mA(典型值)。

该元件尺寸小(约4mm×3mm)，并有贴片式封装形式，其管脚排列与前同。 该元件典型输出特性如图6所示。

应用电路 1．位移测量

将线性霍尔传感器放在两块磁铁的中间，其磁感应强度为零。这个位置可作为位移的零点(如图7(a)所示)。当霍尔传感器在Z轴作AZ位移时，经调整电路处理后其输出电压Vo与位移△Z特性如图7(b)所示。图7(b)是按同样的原理制成的力传感器。

2．简易磁场强度计

图8是一种用SS49制成的简易磁场强度计的电路图。在0-±0．1T的磁感应强度时，输出为0～5v。当磁感应强度为-0．1T时，调RPl，使输出为0V；当磁感应强度为+0．1T时，调RP2，使输出为5V(在磁感应强度为零时，输出为2．5v)。若外接一个O～5V表头即成为±0．1T的磁场强度计了(刻度要重画)。

由于SS49有一定的温度误差，可在6．8k电阻并联一个PTC热敏电阻进行补偿，其阻值要根据传感器的温度特性来调试，如图8右图所示。

若采用495Al高精度线性霍尔元件来做磁场强度计，则在±0．64T时，输

出0．5v～4．5V，则可直接接一个0～5V电压表头即制成较高精度的磁场强度计，无需任何电路(仅仅将电压刻度换成T即可：在0．5V处刻度为一0．64T；在2．5v处刻度为0T；在4．5V处刻度为+0．64T即成)。

霍尔传感器及其应用（二）

开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等，如图1(a)所示，外形如图1(b)所示。

开关型霍尔传感器的工作特性如图2所示。

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强 度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与Bre之间的滞后(或称为回差)使开关动作更为可靠。

由于传感器内部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取1～2k，如图3所示。

另外还有一种“锁键型”(或称锁存型)开关型霍尔传感器，其特性如图4所示。

当磁感应强度超过动点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变(即锁存状态)，必须施加反向磁感应强度达到Bre时，才能使电平产生变化。

这里介绍SS100系列及ss40两种典型产品。这两种产品都是Honev weⅡ公司的产品。

1．SSl00系列

SSl00系列是贴片式器件，SOT-89封装[如图1(b)所示]。它的特点是工作电压范围较宽(3．8—24V)；工作电流小(最大为10mA)；其输出级集电极最大电流可达20mA；工作温度范围较宽(-40--+125℃)；有单极、双极及锁存型，可供用户选择。参数性能见附表(仅选择该系列部分产品)。 2．SS40(双极型) SS40为TO-92封装，其外形及管脚见图1(b)。该器件工作速度可达100kHz；工作温度范围可达-55—150℃；工作电压范围4．5-24v；工作电流最大值为8．7mA(典型值为4mA)，输出低电平时典型值为0．15v(最大值为0．4V)；上升时间0．2us(典型值)，下降时间0．5us(典型值)；在25度时的

动作点最大值为4．0mT，最小释放点为-4．0mT，最小回差为8．0mT。 典型应用电路

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。它只要配合一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器(如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车；电梯门关好，电梯才能升降)和防盗报警器(当门或窗被非法撬开时，开关型霍尔元件可输出报警信号，如图3所示)。

另外一类是可以利用它做成测量转速(转数)等，如图5所示。

几种典型的连接负载电路如图6所示。图6(a)为与继电器连接，图6(b)为与晶闸管连接。转自维修吧-http://www.weixiu8.com

霍尔开关集成传感器是以硅为材料，利用硅平面工艺制造的。对于硅材料来讲，制作霍尔元件是不理想的，但在霍尔开关集成传感器上，由于N型硅的外延层材料很薄，可以提高霍尔电压忻。如果应用硅平面工艺技术将差分放大器、施密特触发器及霍尔元件集成在一起，可以大大提高传感器的灵敏度。

图是霍尔开关集成传感器的内部结构框图。它主要由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路以及开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器方便与各种逻辑电路接口。

霍尔开关集成传感器的工作原理及过程可简述如下:当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理、霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的VH电压大于\"开启\"竭值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管VT导通，且具有吸收电流的负载能力，这种状态称为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的巾电压很小，经放大器放大后其值也不于施密特整形电路的 \"关闭\"阀值，施密特整形器再次翻转，输出低电平，便半导体管VT截止，这种状态称为关状态。这样，一次磁场强

度的变化，就便传感器完成了一次开关动作。

图:霍尔开关集成传感器内部结构框图