霍爾傳感元器件及其應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
3.1.2 工作磁體的設(shè)置
用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。
例如，用一個(gè)5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會(huì)給出。
因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ?U>電源，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。
工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。如圖7所示，圖中的TEAG即為總有效工作氣隙。
圖7 霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式
圖8 在霍爾器件背面放置磁體
3.1.3 與外電路的接口
霍爾開關(guān)電路的輸出級一般是一個(gè)集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和壓降也會(huì)隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。
以與發(fā)光二極管的接口為例，對負(fù)載電阻器的選擇作一估計(jì)。若在Io為20mA（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流），發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.4V，當(dāng)電源電壓VCC=12V時(shí)，所需的負(fù)載電阻器的阻值（4） 和這個(gè)阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻為560Ω，因此，可取560Ω的電阻器作為負(fù)載電阻器。
用圖9表示簡化了的霍爾開關(guān)電路，圖10表示與各種電路的接口：（a）與TTL電路；(b)與CMOS電路；(c)與LED；(d)與晶閘管。
圖9 簡化的霍爾開關(guān)示意圖
圖10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例
若受控的電路所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被控電路間接入電流放大器。
霍爾器件的開關(guān)所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被電路間接入電流放大器。
霍爾器件的開關(guān)作用非常迅速，典型的上升時(shí)間和下降時(shí)間在400nS范圍內(nèi)，優(yōu)于任何機(jī)械開關(guān)。
3.2 應(yīng)用實(shí)例
下面我們將舉出一些應(yīng)用實(shí)例。這些例子僅是該類應(yīng)用中的一種，用同樣的原理和方法，使用者可根據(jù)自己的使用需要，設(shè)計(jì)出自己的應(yīng)用裝置。
3.2.1檢測磁場
用霍爾線性器件作探頭，測量10－6T～10T的交變和恒定磁場，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過校準(zhǔn)的UGN3503或A3515型霍爾線性電路來檢測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡便方法。電路出廠時(shí)，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測量時(shí)，將電路第一腳（面對標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（>10kΩ）電壓表，通電后，將電路放入被測磁場中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測磁場的B值時(shí)，可用
B=[Vout(B)－Vout(o)]1000/S
式中，Vout(B)=加上被測磁場時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，Vout(o)=未加被測磁場時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，S=靈敏度系數(shù)，單位為mV/G(高斯)，B=被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為G。
3.2.2 檢測鐵磁物體
在霍爾線性電路背面偏置一個(gè)永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a)為檢測齒輪，(b)為檢測缺口。用這種方法可以檢測齒輪的轉(zhuǎn)速。
直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖13。
在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對推斥磁場，霍爾器件又起定子電流的換向作用。
無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，如圖14所示，使用霍爾開關(guān)電路，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，使線路大為簡化，如圖15所示。
圖15 用CS2018霍爾開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線路示意圖
（圖中的線圈為電機(jī)定子繞組）
評論