[分享]霍尔元件概念一览

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　　1、 霍尔元件

　　霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

　　2、 霍尔效应

　　置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

　　3、 霍尔系数(又称霍尔常数)RH

　　在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。

　　另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。

　　4、 霍尔灵敏度KH(又称霍尔乘积灵敏度)

　　霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。

　　5、 霍尔额定激励电流

　　当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

　　6、 霍尔最大允许激励电流

　　以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

　　7、 霍尔输入电阻

　　霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。

　　8、 霍尔输出电阻

　　霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。

　　9、 霍尔元件的电阻温度系数

　　在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。

　　10、 霍尔不等位电势(又称霍尔偏移零点)

　　在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。

　　11、霍尔输出电压

　　在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。

　　12、霍尔电压输出比率

　　霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率

　　13、霍尔寄生直流电势

　　在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。

　　14、霍尔不等位电势

　　在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。

　　15、霍尔电势温度系数

　　在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。

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　　摘要：现今几乎每种*作都要求某种形式的自动定位监测。虽然每种应用的细节有所不同，但大部分都可通过一种技术—--霍尔效应元件满足。

　　关键词:磁场 偏移电流 磁通量 磁场强度 双极磁体 空气囊

　　霍尔元件为一半导体材料片，通过此材料片施加一个恒定电压既可形成一个恒定偏移电流。如果无磁场，其输出，即通过半导体材料片宽度的电压，理论上读数近于0;如果此偏斜的霍尔元件位于与霍尔电流成直角的磁场里，则电压输出与磁场强度成正比。此即为霍尔效应。霍尔元件效应可产生与普通磁通量密度强度成正比的信号。该技术的优势在于具有较宽的工作电压范围、强大辐射和传导的瞬时保护，以及在单芯片解决方案里可能的高ESD标准。

　　半导体公司已通过增加收益放大器、偏置调节电路和其它的电路板如调制器和低通滤波器，改进了霍尔效应技术。这些元件可在3到26.5 V间的电压中*作，对于严格汽车环境的辐射和传导瞬时特性、以及从8000 到10,000 V的ESD级别也能应用自如。一些霍尔效应元件可在使用时自调校，现在已形成的系列可编程开关、齿轮传感器和线性装置已极大地改善了生产状况。

　　应用

　　座式传感器：霍尔技术是一种非接触解决方案，在某些最复杂的系统中结合了最简单的霍尔效应元件，其典型范例是汽车的坐位感测系统，该系统可在发生碰撞时决定司机与方向盘的接近程度，并能相应调节空气囊展开的力度,汽车运动时，霍尔效应位置元件可把坐位信息传送给控制器。发生车祸时能可靠地协助空气囊控制器把握生死命运。最简单的方法是采用一个可感应两个坐位区(近和远)的2线单极转换器。传感元件既可将正确的位置信息以数字输出方式传送给控制器。由于汽车启动时必须保证信息准确，故传感元件后续处理还必须能自动解码。

　　在此应用中，附于定位轨迹的座位机械结构装有一个由铁金属制成的板，该板可切断霍尔传感器和磁体之间的磁场。当座位在开关与磁体间通过时，传感器输出的变化会告知控制器：座位轨迹已进入到哪个特别区域。如果你使用的传感器数目足够，你可以感测任意数目的区域。例如，如果你在每个座位轨迹上放置两个传感器，就可以跟踪四个区域。

　　霍尔输出的编码逻辑

　　状态区域1：HALL 2 OUTPUT=0 HALL 1 OUTPUT=0

　　状态区域2：HALL 2 OUTPUT=0 HALL 1 OUTPUT=1

　　状态区域3：HALL 2 OUTPUT=1 HALL 1 OUTPUT=1

　　状态区域4：HALL 2 OUTPUT=1 HALL 1 OUTPUT=0

　　在其中一区域里与方向盘较近的座位将被告知控制器：空气囊应配以减少的力。在后部区域中与方向盘距离最远的座位，应要求配置更大的力。控制器能解码两个霍尔传感器的输出，以确定该位置处于四个区域中的哪个。两个传感器可提供一个便利的“灰色编码”(一种编码形式，不同于二进制和十进制)输出。

　　霍尔传感器的多样性可使你给任何的应用都提供多种解决方案。例如，你可能需要一种高解决方案以确定座位在各个时间的位置。这时可以采用一个模拟线性霍尔传感器满足这一需求，此传感器可产生一个与磁场强度成正比的输出。在一个滑动的线性传感器配置里，一个双极磁体将在0V到5 V范围内形成符合设计的比例输出。

　　汽车里司乘人员的安全系统必须可自动调节。由于司机不需要考虑他或她与方向盘间的距离是否安全。而需注意的问题是，此系统能否感测司机的位置并且正确调节其位置。

　　热交换：并非每一项应用都把安全性或可靠性作为其主要目标，有时目标会侧重于节约成本。例如，可以将霍尔传感器用于电子模块和子系统中以进行安全、顺利的热交换。热交换设计与系统的很多方面都有关系，其中包括电源管理、通知*作员执行动作的的信号、系统能否判断*作人员的行为，以及对*作完成的判断能力。热交换是工业领域面临的一种典型公共问题。这种范例还有,互联网服务器的硬件驱动和测试设备的模块架。

　　目前，许多电路卡或模块的热交换问题没有起到正常的作用(如，某些系统只有在目标模块移动后才注意到其热交换问题)。如果模块移动时是活性的，热交换不仅会破坏运行的

　　程序而且有可能损毁硬件。

　　如果采用霍尔传感器和一个简单控制器，那么这种设计就很有预见性;初始系统可以响应清除关断或任务重排的信号。受电压和ESD的影响将减少，最终改善终端系统的可靠性和收益性。

　　采用热交换技术时，系统发展商担心启动和关机期间能否有序地给被移动和替换的附属系统提供电源。最普通的技术是人工排序接口连接器上的接触片，以便接地片或公共片最后断开或首先接入。然而，随着系统和子系统越来越复杂，IC越来越小以及产品的ESD敏感度的增加，该方法越来越不理想。

　　利用Allegro公司的霍尔元件是一种较佳的选择方案，其具有超灵敏感应、低功耗、用于A3212装置的采样算法和LED(其容许子系统的热交换有更多的预性方法)。这些装置能对磁场的出现做出响应，并有开漏的逻辑电平输出。霍尔器件所需的动态功耗极低，非常适合有能量功耗要求的工作环境。

　　霍尔元件使得主系统可在任何动作发生前，获知抽取和\或插入的意向。元件可检测到激活程序的意向和实际完成情况。而且你可通过利用霍尔装置出现的变化，甚至可在主系统对某个新子系统响应之前确定某些特性。

　　每个槽或沟都有含有霍尔装置的电路板安装于相应的底座上，该底座为包含各种控制器、硬驱动器和网络接口卡的服务器，并且底座里的每个槽都有一个带磁体的铰链盖，其内部包含有霍尔装置。当盖打开时，霍尔装置可感应磁场的变化(表现为其输出的逻辑状态变化)，并发信号给未决行动的主机。

　　当盖子被提起，且目标子系统已实际撤退时，系统控制器可把装置移离控制线并重新定位其动作。如果是一个线性卡,则此通道内的相关槽将被从控制线上移离。如果服务器内是硬驱动，运行的所有程序和数据文档将被锁定以阻止访问和恶化。当安装了替换模块且其盖子返回到其闭合位置时，霍尔装置可感测到磁场状态的变化并发信号给系统主机通知程序已完成。

　　在相似的应用过程中，此磁体被包含在一螺旋起重机的把手中，用于保证槽中的模块或子系统处于主底座的槽中。当把手转换到允许模块松开时，霍尔装置可感应磁场中的变化并发信号给计划的主控制器以去除模块或子系统。

　　采用这种方法，可以有足够的时间将模块功能重新分配给系统中的其它模块或者结束服务，且模块的电源有充分时间依次断开。由于把手中磁体距相关霍尔装置的距离很近，可使磁体强度很小，从而可以确保到磁中介记录系统(如硬盘驱动)无崩溃的风险。

　　当新模块已安装在槽中时，用螺丝拧紧既可确保模块的安全，并且需要将把手弹回到安全位置。而当把手装载时，磁场将产生另一种变化，并且发信号给完成了处理过程的底座主机，使该模块槽通电并初始化。在两种情况下，都可用单色或双色LED 发信号执行过程中的每一步。

　　结论

　　霍尔效应元件产品高度可靠且相对便宜。虽然感应目标可能不能一直像座位传感器一样至关重要，但如果有自动感应要求，此种解决方案还是上佳之选

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　　摘 要：介绍了闭环霍尔电流传感器的工作原理及在地面车用电源系统中的应用，实现了对车用电源系统输出电流的隔离测量、控制，解决了地面车辆的大功率发电系统的限流保护问题。

　　关键词：闭环;霍尔电流传感器;车用电源;应用

　　1 引言

　　地面车用电源系统(以下简称电源系统)输出电流的检测与控制，直接关系着电源系统工作的稳定性和可靠性，并影响车辆的运行状况及车辆的可*作性。由于车辆复杂的使用条件导致车用电源的负载变化较大，随之电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载而发热，影响其功率输出，严重情况下会导致电源永久失效。

　　闭环霍尔电流传感器(以下简称传感器)在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，并通过反馈控制电源系统的输出电流。当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护了电源系统不会因用电负载的变化而损坏。

　　2 闭环霍尔传感器的工作原理

　　自1879年美国物理学家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，霍尔技术被越来越多地应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺技术的发展，由霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大地扩展了该项技术的应用领域。

　　2.1霍尔效应及霍尔器件

　　霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压VH，VH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有式(1)关系。

　　VH=(RH/d)×B×IC(1)

　　式中：B为磁感应强度;

　　IC为控制电流;

　　RH为霍尔系数;

　　d为半导体厚度。

　　式(1)中，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件。

　　2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理

　　闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。众所周知，当电流流过一根导线时，将在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此，可利用霍尔器件测得的输出信号，直接反映出导线中的电流大小，即

　　I∝B∝VH(2)

　　式中：I为通过导线的电流; B为导线通电流后产生的磁感应强度。

　　当选择适当的比例系数后，上述关系可以表示为等式。

　　对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环(或称直测式、直检式)霍尔电流传感器;另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡式)霍尔电流传感器。针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是将霍尔器件的输出电压用运算放大器直接进行信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低;其缺点是其精度、线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为了克服开环传感器的不足，上世纪80年代末期，便出现了闭环霍尔电流传感器。

　　闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流(IN)所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流(IM)所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即

　　N1×IN=N2×IM(3)

　　式中：N1为原边线圈的匝数;

　　N2为副边线圈的匝数。

　　由式(3)可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。

　　3 闭环霍尔电流传感器的主要性能

　　闭环霍尔电流传感器是近10年来出现的高技术模块化产品，其性能大大优于开环霍尔电流传感器，同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：

　　1)可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流;

　　2)副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～12kV;

　　3)电流测量范围宽，可测量额定1mA～50kA电流;

　　4)跟踪速度di/dt>50A/μs;

　　5)线性度优于0.1%IN;

　　6)响应时间<1μs;

　　7)频率响应0～100kHz。

　　4 传感器在车用电源系统中的应用

　　闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功地应用于逆变焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上。我们假以南京中旭的额定电流为300A的HNC-300S型霍尔电流传感器为例，说明这种传感器的应用(传感器电参数略)。在某型地面车辆上装备了一套独立的大功率发电系统，该发电系统设计选用了HNC-300S型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。闭环霍尔电流传感器HNC-300S的应用，很好地实现了上述应用目的。

　　当发电机G输出正端汇流母线穿过HNC-300S的原边电流穿孔，由传感器HNC-300S检测发电机的输出电流，传感器的输出IM与发电机控制盒相连，由发电机控制盒设定发电机的输出电流控制点，依据此信号，对发电机的输出电流加以限制，避免发电机因输出功率过高而发生故障或损坏，从而保证发电系统正常工作。

　　5 结语

　　该传感器能够满足车用发电系统对电流检测的技术要求，已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。