霍尔效应原理与霍尔IC输出特性图详细分析

霍尔效应原理与霍尔IC输出特性图详细分析

什么是霍尔效应？霍尔效应传感器的工作原理是什么？

霍尔效应是测量磁场最常用的方法，霍尔效应传感器非常受欢迎，并具有许多当代应用。例如，它们可以作为轮速传感器以及曲轴或凸轮轴位置传感器在车辆中找到。此外，它们还经常用作开关、MEMS指南针、接近传感器等。现在我们将介绍其中的一些传感器，看看它们是如何工作的，但首先让我们解释一下什么是霍尔效应。

什么是霍尔效应？

以下是解释霍尔效应的实验：如果我们有薄导电板，如图所示，并且我们设置电流流过它，电荷载流子将从板的一侧直线流向另一侧。

现在，如果我们在板附近带来一些磁场，我们会由于一种称为洛伦兹力的力而扰乱电荷载流子的直线流动。在这种情况下，电子将偏转到板的一侧，而正空穴将偏转到板的另一侧。这意味着如果我们现在在其他两侧之间放置一个仪表，我们将得到一些可以测量的电压。

因此，正如我们上面所解释的，获得可测量电压的效果被称为霍尔效应，以埃德温·霍尔（Edwin Hall）的名字命名，他在1879年发现了它。

霍尔效应传感器

霍尔效应磁传感器的基本霍尔元件大多提供每高斯仅几微伏的非常小的电压，因此，这些器件通常使用内置高增益放大器制造。

霍尔效应传感器有两种类型，一种提供模拟输出，另一种提供数字输出。模拟传感器由稳压器、霍尔元件和放大器组成。从电路原理图中我们可以看到，传感器的输出是模拟的，与霍尔元件输出或磁场强度成正比。这些类型的传感器因其连续的线性输出而适合并用于测量接近度。

另一方面，数字输出传感器仅提供两种输出状态，即“ON”或“OFF”。这些类型的传感器有一个附加元件，如电路原理图所示。这就是施密特触发器，它提供迟滞或两个不同的阈值电平，因此输出要么高要么低。有关施密特触发器如何工作的更多详细信息，您可以查看我的特定教程。

此类传感器的一个例子是霍尔效应开关。它们通常用作限位开关，例如在3D打印机和CNC机器中，以及用于工业自动化系统中的检测和定位。

这些传感器的其他当代应用包括测量车轮/转子速度或转速，以及确定曲轴或凸轮轴在发动机系统中的位置。这些传感器由霍尔元件和永磁体组成，永磁体放置在连接在旋转轴上的齿盘附近。

传感器和圆盘齿之间的间隙非常小，因此每次齿经过传感器附近时，它都会改变周围的磁场，从而导致传感器的输出变高或变低。因此，传感器的输出是方波信号，可以很容易地用于计算旋转轴的RPM。

霍尔效应是最常见的测量磁场的方法，霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔器件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应传感器器件分为：霍尔元件（Hall element）和霍尔集成电路（Hall IC）两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。霍尔集成电路是随着半导体集成电路工业的发展近20年才出现的产品，但因它体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污污染，成本低等优点，使其得到了极其广泛的应用。

霍尔集成电路有很多其他称呼， 如：霍尔效应集成电路（Hall Effect IC），霍尔效应传感集成电路（Hall Effect Sensor IC），霍尔传感器（Hall Sensor），霍尔电路，霍尔IC。Hall有时也被翻译成霍耳，所以也可称霍耳集成电路等。以下简称霍尔IC。

霍尔IC通常按输出信号类型分为数字霍尔IC和线性霍尔IC。数字霍尔IC通过外部磁场的强弱控制输出导通或关断，类似开关的作用，因此常称为开关型霍尔IC。线性霍尔IC输出为模拟信号，输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。

开关型霍尔IC常又分为单级型霍尔IC（Unipolar）、锁定型霍尔IC（Latch）、双级型 霍尔IC（Bipolar）、全级型霍尔IC（Omnipolar）四类。为便于说明，按通常约定，当外加 磁场的南极（S极）接近霍尔IC打有标志的一面时，作用到霍尔IC上的磁场方向为正，当北极 （N极）接近标志面时，磁场为负。

单级型霍尔IC：经常被称为开关霍尔IC、霍尔开关（Hall Switch）、霍尔效应开关（Hall Effect Switch）。只对单个磁极（常为S极）有响应。如图1，大多数单极霍尔IC，当S极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）时（即B》BOP》0），输出导通， 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点（BRP）（即0

图1 单极型霍尔 IC 输出特性图

锁定型霍尔IC：必须S极和N极交替作用于霍尔IC。如图2，大多数锁存型霍尔IC，当 S极面向标记面，且施加的磁感应强度超过工作点（BOP）（即B》BOP》0）时，输出导通， 输出由高变低。当磁感应强度减弱直至撤除（B=0），输出保持导通。当N极面向标记面，且施加的磁感应强度超过释放点（BRP）（即B

图2 锁存型霍尔 IC 输出特性图

全级霍尔IC：是较新出现的类型，将S极和N极等同对待。一般情况下，如图3，任何一 个磁极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）（即|B|》BOP）， 输出导通， 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点（BRP）（即|B|

图3 全极型霍尔 IC 输出特性图

双级型霍尔IC：是比较早期的一种类型，最初因半导体工艺限制，生产出较的霍尔IC灵敏度分布范围很大，一致性差。同一型号霍尔，如图4，部分是锁存型的（中间曲线），部 分是单极型的（右边曲线），部分是N极单极型的（右边曲线），是三种的混合体。往往指标只给出最大BOP（》0）和最小BRP（

图4 双极型霍尔 IC 输出特性图

线性霍尔IC：输出为模拟信号，输出电平在一定的范围类与外加磁场成线性关系，称为线性磁场范围。外加磁场超出线性磁场范围，将不再成线性关系，直至输出饱和，有最低 输出饱和电压和最高输出饱和电压。

图5 线性霍尔 IC 输出特性图

以上是简单常用的霍尔IC，除了这些，近几年还出现了一些集成度高、功能复杂的专用霍尔 IC，如差分霍尔IC（双霍尔 IC），集成 ADC、DAC 和信号处理电路的旋转位置传感器、三轴位置传感器，集成了电机控制和驱动电路的无刷电机驱动芯片。此外，利用霍尔原理设计的电流传感器IC也是霍尔IC的一大类别。