淺談霍爾效應(yīng)技術(shù)對(duì)電器設(shè)計(jì)的影響

本技術(shù)論文簡(jiǎn)要介紹了霍爾效應(yīng)技術(shù)，其基本原理以及當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)的擴(kuò)展。本文包括對(duì)霍爾效應(yīng)技術(shù)所關(guān)注的歷史領(lǐng)域以及如何認(rèn)識(shí)這些領(lǐng)域的回顧。本文檔中還提供了與機(jī)械開關(guān)技術(shù)的比較。最后，本文概述了霍爾效應(yīng)技術(shù)如何并且可以在不同的設(shè)備應(yīng)用中使用。

霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，以合理的成本提供了高性能，準(zhǔn)確性，一致性，可靠性和新功能集。霍爾效應(yīng)器件目前在成本敏感，質(zhì)量和可靠性意識(shí)強(qiáng)且經(jīng)受惡劣環(huán)境的大批量汽車應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位，霍爾效應(yīng)器件已脫穎而出，并已成為涉及以下方面的許多關(guān)鍵安全性和性能用途的首選技術(shù)：感應(yīng)：運(yùn)動(dòng)，位置，速度，方向，接近度和電流。在許多情況下，霍爾效應(yīng)傳感器在汽車領(lǐng)域的成功應(yīng)用可直接轉(zhuǎn)移到家電領(lǐng)域。

霍爾效應(yīng)設(shè)備可能無法完全取代機(jī)械開關(guān)，但它們確實(shí)為電器提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。與其他開關(guān)技術(shù)相比，它們的主要優(yōu)勢(shì)是無觸點(diǎn)，無反彈的開關(guān)。這實(shí)際上消除了由物理“磨損”引起的故障，并且不受通常與“嚴(yán)酷”條件相關(guān)的塵土，灰塵或其他環(huán)境因素的影響，但對(duì)設(shè)備也很重要。

操作理論

霍爾效應(yīng)器件的基本元件是一小片以圖1表示的半導(dǎo)體材料。如圖2所示，當(dāng)向元件施加恒定電壓源時(shí)，它將迫使恒定的偏置電流流向元件。輸出采用電壓的形式，可以在紙張的整個(gè)寬度上對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

圖1基本霍爾元素

圖2基本霍爾器件電路

它本身的電壓強(qiáng)度可以忽略不計(jì)，但是如果將偏置的霍爾元件放置在磁場(chǎng)中，該磁場(chǎng)的通量線與霍爾電流成直角（圖3），則電壓輸出將被放大，并與電壓成正比。磁場(chǎng)的強(qiáng)度。這就是霍爾效應(yīng)，是EF霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。

圖3施加的磁通量

這種現(xiàn)象是當(dāng)今所有霍爾效應(yīng)器件的基礎(chǔ)。使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)和電路，可以通過以下方法增強(qiáng)基本霍爾元件：

添加穩(wěn)壓器以在廣泛的輸入電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的電源，以及添加一個(gè)放大器以增加可用信號(hào)。

這些增強(qiáng)功能如圖4所示。這些元素的組合是大多數(shù)實(shí)際HED（霍爾效應(yīng)器件）的基本組成部分。它由線性HED的典型結(jié)構(gòu)組成，線性HED的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。例如，圖4中的模塊可以與具有內(nèi)置滯后作用的施密特觸發(fā)器閾值檢測(cè)器（根據(jù)預(yù)定電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度開啟和關(guān)閉的設(shè)備）以及集電極開路NPN組合使用或開漏MOSFET輸出晶體管來創(chuàng)建霍爾效應(yīng)（數(shù)字）開關(guān)（圖5）。

圖4具有信號(hào)增強(qiáng)電路的電路構(gòu)建塊

圖5實(shí)用霍爾效應(yīng)開關(guān)電路

以這種方式實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)元件可創(chuàng)建具有數(shù)字輸出功能的電路。當(dāng)所施加的磁通密度超過某個(gè)極限值（稱為操作點(diǎn)（Bop））時(shí)，觸發(fā)器將提供從關(guān)閉到開啟的干凈過渡，而不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)彈跳或“顫動(dòng)”。圖5中所示的晶體管通常是飽和開關(guān)，每當(dāng)施加的通量密度高于Bop跳變點(diǎn)時(shí)，該開關(guān)就會(huì)將輸出端子接地。當(dāng)磁場(chǎng)降到Bop以下某個(gè)限制（稱為釋放點(diǎn)（Brp））時(shí)，觸發(fā)器將提供從接通到斷開的干凈過渡。定義的內(nèi)置磁滯（Bhys）通過引入磁死區(qū)來消除振蕩（輸出的虛假切換），該死區(qū)在超過閾值后將禁用開關(guān)動(dòng)作。

與上拉電阻一起使用時(shí)，這種類型的開關(guān)通常與所有數(shù)字邏輯系列兼容。輸出晶體管通?？梢晕兆銐虻碾娏饕灾苯域?qū)動(dòng)許多負(fù)載，包括：繼電器，三端雙向可控硅開關(guān)元件，SCR，LED和燈。這樣的電路通常限于24 V和25 mA。對(duì)于繼電器等電感性負(fù)載，通常需要一個(gè)外部反激二極管。切換較高的電壓或電流通常需要一個(gè)額外的繼電器，或一個(gè)分立的功率器件，例如：雙極或MOSFET晶體管，SCR或帶有偏置電阻的雙向可控硅。

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