全方位解析霍爾開關(guān)原理電路及失效檢測

一、霍爾開關(guān)原理--簡介

霍爾開關(guān)(Hall switch)又稱霍爾數(shù)字電路，是一種新型的電器配件，由反向電壓保護(hù)器、精密電壓調(diào)節(jié)器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償器和互補(bǔ)型集電極開路輸出器等七部分組成，具有無觸點(diǎn)、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。該電路由于具有高達(dá)400 mA的負(fù)載能力，并且是互補(bǔ)型輸出，因此，它是無刷風(fēng)扇最理想的器件。

二、霍爾開關(guān)--原理

霍爾效應(yīng)說的是當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為：

U=KIB/d

式中，K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。

霍爾開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號，同時(shí)，又可滿足工業(yè)場合實(shí)際應(yīng)用中易操作和可靠性的要求。

在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值BOP 時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后B 再增加，電路仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場的B 值降低到BRP 時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP 為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP-BRP=BH 稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。

三、霍爾開關(guān)--原理結(jié)構(gòu)

霍爾開關(guān)電路由反向電壓保護(hù)器、精密電壓調(diào)節(jié)器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償器和互補(bǔ)型集電極開路輸出器等七部分組成。下面我們簡單介紹一下各部分的功能。

電壓調(diào)節(jié)器：當(dāng)電源電壓從3.5V~20V變化時(shí)，保證該電路正常工作。

反向保護(hù)器：當(dāng)應(yīng)用電源反接或在使用過程中受到反向脈沖電壓的干擾時(shí)，對電路起保護(hù)作用，保護(hù)電壓可達(dá)30V;

霍爾電壓發(fā)生器：將變化的磁信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。

差分放大器：將霍爾電壓發(fā)生器輸出的微弱電壓信號放大。

施密特觸發(fā)器：將差分放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

溫度補(bǔ)償器：確保集成電路在-20℃~+85℃之間可靠地工作。

互補(bǔ)輸出器：輸出電流可直接驅(qū)動(dòng)無刷風(fēng)機(jī)的兩組繞組。

由上圖可知，當(dāng)無刷風(fēng)機(jī)接通電源時(shí)，若霍爾電壓發(fā)生器受到交變磁場的作用，輸出端②和③的電位狀態(tài)也隨著發(fā)生變化，從而改變負(fù)載電流的方向，使風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、霍爾開關(guān)--分類

1、單極霍爾效應(yīng)開關(guān)(數(shù)字輸出)

單極霍爾效應(yīng)開關(guān)具有磁性工作閾值 (Bop)。如果霍爾單元承受的磁通密度大于工作閾值，那么輸出晶體管將開啟;當(dāng)磁通密度降至低于工作閾值 (Brp) 時(shí)，晶體管會(huì)關(guān)閉。滯后 (Bhys) 是兩個(gè)閾值 (Bop-Brp) 之間的差額。即使存在外部機(jī)械振動(dòng)及電氣噪音，此內(nèi)置滯后頁可實(shí)現(xiàn)輸出的凈切換。單極霍爾效應(yīng)的數(shù)字輸出可適應(yīng)各種邏輯系統(tǒng)。這些器件非常適合與簡單的磁棒或磁桿一同使用。單極性霍爾開關(guān)它的正反面會(huì)各指定一個(gè)磁極感應(yīng)才會(huì)有作用，在具體應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)該注意磁鐵的磁極的安裝，反了就會(huì)造成單極性不感應(yīng)輸出。

2、雙極霍爾效應(yīng)開關(guān)(數(shù)字輸出)

雙極性霍爾具體又分雙極性不帶鎖存型霍爾開關(guān)和雙極性鎖存型霍爾開關(guān)。

雙極霍爾效應(yīng)開關(guān)通常在南極磁場強(qiáng)度足夠的情況下打開，并在北極磁場強(qiáng)度足夠的情況下關(guān)閉，但如果磁場被移除，則是隨機(jī)輸出，有可能是打開，也有可能是關(guān)閉。雙極鎖存型霍爾效應(yīng)開關(guān)通常在南極磁場強(qiáng)度足夠的情況下打開，并在北極磁場強(qiáng)度足夠的情況下關(guān)閉，但如果磁場被移除，不會(huì)更改輸出狀態(tài)。這些霍爾效應(yīng)開關(guān)可使用南北交變磁場、多極環(huán)磁鐵進(jìn)行磁驅(qū)動(dòng)。

3、雙極鎖存型霍爾效應(yīng)開關(guān)(數(shù)字輸出)

當(dāng)置于n極(或s極)時(shí)開啟，磁場移除后繼續(xù)保持開啟;而只有當(dāng)置于s極(或n極)時(shí)才會(huì)關(guān)閉，磁場移除后繼續(xù)保持其開啟或關(guān)閉狀態(tài)，直到下次磁場改變。這種保持上次狀態(tài)的特性即鎖存特性，這種類型的霍爾效益開關(guān)即雙極鎖存型霍爾效應(yīng)開關(guān)。

4、全極霍爾效應(yīng)開關(guān)(數(shù)字輸出)

與其他霍爾效應(yīng)開關(guān)不同，只要存在強(qiáng)度足夠大的北極或南極磁場，這些器件就能打開;而在沒有磁場的時(shí)候，輸出會(huì)關(guān)閉。

5、線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC(模擬輸出)

線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電壓輸出會(huì)精確跟蹤磁通密度的變化。在靜態(tài)(無磁場)時(shí)，從理論上講，輸出應(yīng)等于在工作電壓及工作溫度范圍內(nèi)的電源電壓的一半。增加南極磁場將增加來自其靜態(tài)電壓的電壓。相反，增加北極磁場將增加來自其靜態(tài)電壓的電壓。這些部件可測量電流的角、接近性、運(yùn)動(dòng)及磁通量。它們能夠以磁力驅(qū)動(dòng)的方式反映機(jī)械事件。

6、微功耗型霍爾效應(yīng)開關(guān)(數(shù)字輸出)

隨著手機(jī)、筆記本電腦、DV等便攜式設(shè)備的普及，對霍爾IC的功耗提出要求，由此產(chǎn)生了一大類新的霍爾IC。它是數(shù)字霍爾IC按功耗單獨(dú)分出的一類，其內(nèi)部采用休眠機(jī)制降低功耗，平均功耗可以達(dá)到uA級。它也可按功能分為單級型霍爾IC、鎖定型霍爾IC、和全級霍爾IC三類。這類一般用于電池長期供電的系統(tǒng)。

五、霍爾開關(guān)--失效鑒定

給您一個(gè)簡單的方法：霍爾面向自己(印章面)，管腳向下，從左到右分別為：正極(開關(guān)霍爾4.5V到24V，線性霍爾5V)、負(fù)極、輸岀(信號)，在正極和輸出接電阻(1到10K)。在負(fù)極和輸出間接一個(gè)發(fā)光二極管(或用萬用表測量電壓，高電平等于電源電壓低電平約等于零)。接電后用磁鐵靠近或遠(yuǎn)離霍爾可以看到發(fā)光二極管是否發(fā)光變化。如有變化就好的，沒變化就是壞的。

六、霍爾開關(guān)--單極開關(guān)電路(OH137)

霍爾開關(guān)分為單極開關(guān)和雙極開關(guān)，下面OH137為單極開關(guān)，雙極開關(guān)可在網(wǎng)上查詢下OH413，OH41等，作為參考電腦，具體詳情請看如下↓。

OH137 霍爾開關(guān)電路是為了適用客戶低成本高性能要求開發(fā)生產(chǎn)的系 列產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，性能可靠穩(wěn)定。電路內(nèi)部由反向電壓保護(hù)器、電 壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出 級組成，能將變化的磁場訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。

典型應(yīng)用領(lǐng)域：直流無刷電機(jī)、家用電器、縫紉設(shè)備、紡織機(jī)械、編碼器、安全報(bào)警裝置等 自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

極限參數(shù)：(TA=25℃)

電源電壓 VCC···························4.5-24V

輸出負(fù)載電流 IO···················25mA

工作溫度范圍 TA ···············-40～85℃

貯存溫度范圍 TS ················-55～150℃

磁特性： (VCC=4.5～24V) 1mT=10GS

測試電路

外型尺寸圖：

七、霍爾開關(guān)--集成傳感器的應(yīng)用

霍爾開關(guān)集成傳感器的基本用途包括以下一些領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測，等等。

(1)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。圖8-30示出了幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)。

(2)霍爾計(jì)數(shù)裝置。圖8-31示出了霍爾傳感器對鋼球計(jì)數(shù)的裝置的工作原理示意圖及電路圖。

因?yàn)殇撉驗(yàn)閺?qiáng)磁性物體，所以在裝置中將水久磁鐵固定當(dāng)有鋼球滾過時(shí)，磁場就發(fā)生一次變化，傳感器輸出的霍爾電壓也變化一次，這相當(dāng)于愉出一個(gè)脈沖，該脈沖信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后。送人三極管的基極，三極管便導(dǎo)通一次，在三極管的集電極上接一個(gè)計(jì)數(shù)器，即可對滾過的鋼球計(jì)數(shù)。

(3)霍爾接近開關(guān)(圖8-32)。運(yùn)動(dòng)部件上裝有一塊永久磁鐵，它的軸線與傳感器的軸線處在同一直線上。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距傳感器幾毫米至兒十毫米(由設(shè)計(jì)確定)時(shí)，傳感器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，運(yùn)動(dòng)部件停止。