霍尔开关简单介绍

当你打开洗衣机盖的时候,洗衣机会自动停止旋转;当你打开冰箱门的时候,冰箱的灯会自动亮等等,这些感受到变化并改变相应操作的能力需要一个控制开关,而这个常用的开关就是霍尔传感器。

1879年,霍尔通过实验发现:如果让恒定的电流通过金属薄片,并将薄片置于强磁场中,在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势,这种效应成为霍尔效应。

如下图所示,在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为EH的霍尔电压。

根据霍尔效应,人们用导体材料制成霍尔开关。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长的优点。霍尔元件是一个简单的霍尔片,使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。它通常用在直流无刷电机和测磁仪表。

由于霍尔开关产生的电势差很小,故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电路等集成在一个芯片上,称之为霍尔传感器。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。其中线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射线跟随器组成,它输出的是模拟变量;开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔开关、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成,它输出的是数字变量。

一个理想的霍尔开关,需要关注什么指标呢?通常来说,其需要具有良好的线性度和稳定性,其主要的技术指标如下:

额定控制电流Ic:使霍尔元件温升10℃温升所施加的控制电流值(一般情况硅的最大温升小于175℃);

输入电阻Ri和输出电阻Ro:Ri表示控制电流极间的电阻值;Ro表示霍尔电极间的电阻值;这两个电阻参数均会随温度变化而变化,当温度变化时输入电阻Ri发生变化,从而输入电流发生发生变化导致霍尔电势变化,进一步导致霍尔输出电阻R0的变化;热阻RQ:表示在霍尔电极开路的情况下,在霍尔元件上输入1mW的电功率所产生的温升,单位为℃/mW,称之为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下和电阻是相关的;不等位电势:当霍尔开关通过控制电流Ic而不外加磁场时,它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在,这个电势就称为不等位电势(不等位电势产生的原因可能是霍尔电极安装不对称或者半导体材料不均匀导致的);乘积灵敏度KH:定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下,霍尔电势输出端开路时的电势值,它反应了霍尔开关的磁电转换能力,一般希望它越大越好。

根据被检测对象的性质,可以将其应用分为直接应用和间接应用。直接应用是指直接检测样本本身的磁场或磁特性;而间接应用是指在受检对象上人为设置磁场,将其作为信息的载体来检测物理量的变化。

它是输出电压与外界磁场强度在一定范围内呈线性关系,广泛应用于一些物理量的测量,比如位置、力、电流、磁场等,具有精度高线性好的特点。下面以霍尔电流传感器为例,说明其应用。如下图所示,在标准铁环中有一个缺口,将霍尔传感器置于其中,同时铁环上绕有线圈,当电流通过线圈时产生磁场,霍尔传感器就会有信号的输出。那么霍尔电流传感器在车用的电源系统中,就能够实现对电源系统输出电流的隔离测量,并通过反馈来控制电源系统的输出电流。

应用范围更广,可用于测转速、转数、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器和自动控制电路等,具有无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、位置精度高等特点。以接近开关为例,当恒定的控制电流通过霍尔元件且有磁体近距离地接近并离开霍尔元件,霍尔输出将会发生显著变化,输出一个脉冲霍尔电势。利用它的这个特点可以支撑接近开关。这种时候对元件本身的线性和温度稳定性要求不高,只要有足够大的输出即可。这种开关结构简单并且可靠。

通过本文的介绍希望大家能够进一步了解霍尔效应及霍尔传感器的应用。每一个时代的基础物理发现都会造福于后代的科技进步,吾辈需不断学习、不断创新、不断前进。

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