霍爾集成電路的原理與應(yīng)用

霍爾集成電路是霍爾元件與電子線路一體化的產(chǎn)品，它是由霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電路利用集成電路工藝技術(shù)制成的。它能感知一切與磁有關(guān)的物理量，又能輸出相關(guān)的電控信息，所以霍爾集成電路既是一種集成電路，又是一種磁敏傳感器，它一般采用DIP或扁平封裝。

一、霍爾集成電路的原理

當(dāng)將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中時(shí)，薄片兩側(cè)由此會產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。此電位差稱為霍爾電勢，電勢的大小E=KIB/d，式中K是霍爾系數(shù)，d為薄片的厚度，I為電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖1示出霍爾效應(yīng)的原理：在三維空間內(nèi)，霍爾半導(dǎo)體平板在XOY平面內(nèi)，它與磁場方向垂直，磁場指向Y軸的方向，沿X軸方向通以電流I，由于運(yùn)動的電荷與磁場的相互作用，結(jié)果在Z軸方向上產(chǎn)生了霍爾電勢E，一般其值可達(dá)幾十毫伏。為此，將霍爾元件與電子線路集成在一塊約2mm*2mm的硅基片上，就做成了溫度穩(wěn)定性好、可靠性高的霍爾集成電路。

二、典型霍爾集成電路結(jié)構(gòu)分析

霍爾集成電路按輸出方式可分為線性型和開關(guān)型，若按集成電路內(nèi)部的有源器件可分為雙極型和MOS型。圖2、圖3分別示出了一種雙極型霍爾集成電路內(nèi)部的原理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，圖2為開關(guān)型的，圖3為線性型的。

在圖2中IC內(nèi)通過霍爾元件H的磁性檢測反映為高低電平的輸出。V1、V2組成差分放大器，它將霍爾電勢放大，其放大倍數(shù)約幾十倍;V3、V4組成施密特觸發(fā)器，它將放大的霍爾電勢整形為矩形脈沖;V5、V6進(jìn)一步對矩形脈沖緩沖放大;V7、V8為開路集電極輸出管。圖2a中有兩個(gè)輸出端，這里之所以采用集電極開路輸出結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗梢杂休^大的負(fù)載能力，且易于與不同類型的電路接口，但亦有部分霍爾集成電路采用發(fā)射極開路輸出形式，如圖2b、2c所示。

圖3所示是線性霍爾集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其輸出電壓能隨外加磁場強(qiáng)度的變化而連續(xù)變化，其輸出變化曲線一般如圖4所示。它的特點(diǎn)是靈敏度高，輸出動態(tài)范圍寬、線性度好。圖3a中V1、V2為差分放大器，R1、R2射極電阻的負(fù)反饋展寬了電路的線性范圍，V5、V6第二級差分放大使放大倍數(shù)很高。有的線性霍爾集成電路還設(shè)置了引出端外接電位器進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)零或改變電路的靈敏度。

三、霍爾集成電路的應(yīng)用

霍爾集成電路具有無觸點(diǎn)、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高的特點(diǎn)，它能在各種惡劣環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作。對于開關(guān)型霍爾IC，其最基本的應(yīng)用是作為一種接近開關(guān)，如可用作霍爾無觸點(diǎn)開關(guān)、限位開關(guān)、方向開關(guān)、壓力開關(guān)、轉(zhuǎn)速表等;線性型霍爾IC可用于非接觸測距、無觸點(diǎn)電位器、無刷馬達(dá)、磁場測量的高斯計(jì)、磁力探傷等。

對于開關(guān)型霍爾IC，其輸出端內(nèi)部一般為開路集電極晶體管或開路發(fā)射極輸出器形式，因此它能方便地與各種負(fù)載配接，如可直接驅(qū)動晶體管、LED、光電耦合器、單雙向晶閘管和小電流繼電器等，并能和TTL及CMOS數(shù)字電路、PLC輸入口、固態(tài)繼電器、各種交直流電子開關(guān)接口。圖5~圖6示出各種驅(qū)動接口方式，其中圖5中的霍爾IC為開路集電極輸出，圖6中的霍爾IC為開路發(fā)射極輸出形式。

四 、 應(yīng)用實(shí)例及電路

(1)霍爾電勢E=KIB/d，在實(shí)用中k I d值都是固定的，E是B的線性函數(shù)，即把磁通量，由于線性霍爾集成電路的輸出電量隨其檢測的磁感應(yīng)強(qiáng)度而線性變化，所以用微安計(jì)即可測得磁場的高斯量。

(2)由于電場的存在必然產(chǎn)生磁場，同樣地可以用線性霍爾IC來對交直流電流的變化進(jìn)行檢測。如圖8標(biāo)準(zhǔn)磁鐵芯有一缺口，其上有線圈并通有檢測電流，這時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場即可被芯隙處的線性霍爾IC感測同時(shí)輸出指示。利用這種方法還可進(jìn)行過流，過壓及欠壓保護(hù)，其中霍爾IC亦可使用開關(guān)型的。

(3)在兩塊不同的極性的磁鐵中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，放置其中的線性霍爾IC產(chǎn)生偏離某一側(cè)的位移時(shí)，霍爾IC的輸出電壓將與其位移量成正比，所以通過這種方法可測量使桿梁位移的力的大小。

(4)霍爾IC在無刷直流電機(jī)中代替電刷起電流換向作用，它克服了使用電刷所引起的噪聲大，易磨壞，壽命短等缺陷，其中R是無刷電機(jī)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。互相垂直的直徑方向上的H1，H2是兩塊霍爾線性IC，它們分別控制四個(gè)能依次給定子線圈L1-L4提供電流的晶體管。

(5) 測量轉(zhuǎn)數(shù)的方法如圖11所示。把小磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)一周霍爾IC便輸出一個(gè)脈沖，用計(jì)數(shù)器測量脈沖數(shù)便可得轉(zhuǎn)數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)即轉(zhuǎn)速。

(6)圖12為霍爾液位控制方法。在浮子上固定一磁鐵，當(dāng)液位上升，磁鐵靠近霍爾開關(guān)集成電路A時(shí)，A的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，控制電路使水泵停止工作，當(dāng)池中液位下降使浮子上磁鐵作用于霍爾開關(guān)B時(shí)，控制電路使水泵工作。

(7)無觸點(diǎn)電位器的應(yīng)用電路如圖13所示。霍爾線性IC與雙基極二極管組成一張弛震蕩器，該震蕩器輸出脈沖的形成及兩個(gè)脈沖的間隔取決于霍爾IC的輸出電壓，用霍爾IC來控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，可以起到調(diào)功的作用。

(8)汽車電子點(diǎn)火器電路如圖14所示。當(dāng)汽車的起動磁鋼作用于霍爾IC時(shí)，開關(guān)型IC即輸出低電平，V1，V2突然截止，儲存于L中的磁能在L，C2槽路產(chǎn)生震蕩，形成約200V的交變電壓，又經(jīng)整個(gè)L升壓產(chǎn)生15kV以上的高壓，生成電火花，點(diǎn)燃汽車汽缸中的燃油。

(9)無觸點(diǎn)交流開關(guān)如圖15所示。當(dāng)磁鐵靠近霍爾開關(guān)IC時(shí)，SCR截止;磁鐵離開后，單向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載繼續(xù)工作。

(10)無線防盜報(bào)警器如圖16所示。門窗上的小磁鐵靠近霍爾開關(guān)IC時(shí)，IC輸出低電平，V因無扁置而截止;但當(dāng)門窗發(fā)生位移時(shí)，小磁鐵與IC分離，V通過R2獲得偏置，電路起振，向外發(fā)出無線電報(bào)警信號。

五、霍爾IC的使用注意事項(xiàng)

1、霍爾集成電路的使用電壓范圍較寬，但實(shí)用時(shí)電壓宜低不宜高，一般在4.5-6V為宜，過高的電源電壓會引起電路的溫升而使電路工作不穩(wěn)定。

2、開關(guān)型霍爾IC驅(qū)動負(fù)載時(shí)，其負(fù)載電流應(yīng)小于霍爾IC的負(fù)載能力。為了使霍爾的輸出電壓幅度大，一般其輸出端加接較大阻值的負(fù)載電阻。

3、霍爾IC驅(qū)動的負(fù)載能力為感性時(shí)，應(yīng)在輸出端加接續(xù)流二極管。

4、驅(qū)動與霍爾IC不同的電平的負(fù)載時(shí)最好加接隔離與緩沖級，可利用光電耦合器或加三極管驅(qū)動級。

5 長距離傳輸霍爾IC信號時(shí)，可在開關(guān)輸出與地之間加接一只退耦電容器，消除干擾脈沖;傳送線性霍爾IC的輸出信號應(yīng)使用同軸電纜線，但最長不可大于幾十米。

6 大多數(shù)霍爾IC的磁感應(yīng)距離在5-10毫米，須在實(shí)用時(shí)加以控制，并安置的發(fā)信磁鋼應(yīng)與霍爾IC的感應(yīng)點(diǎn)正對，減小磁路磁阻，使發(fā)信與檢測可靠準(zhǔn)確。

7 為了增強(qiáng)開關(guān)或線性霍爾IC的磁感應(yīng)靈敏度，使用時(shí)亦可利用小磁鋼增強(qiáng)磁偏置或加大發(fā)信磁鋼的面積。

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