霍尔传感器原理以及应用

min typ max min typ max

UGN3501 8～12 UGN3503 4.5～6

±100 ±90

－20～＋85 3.5 7.0 －

2.5 3.6 5.0

－20～＋85 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75

Icc/mA

型号 IOUT/mA Ro/kΩ 乘积灵敏度V/A·0.1T 输出形式

typ max UGN3501 UGN3503

4.0 －

0.1 10 20 0.05 9.0 14

－ －

引脚排列 1 2

3 4

外形结构

射极输出VCC 地输出 － CI/P 射极输出VCC 地输出 － CI/P

表3 线性霍尔电路的特性参数

2.2.2.2 霍尔开关电路

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图4。图4(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。

(a) 单OC输出 (b)双OC输出

图4 霍尔开关电路的功能框图

(a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性

图5 霍尔开关电路的输出特性

一般规定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。

锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。霍尔开关电路的性能参数见表4。

表4 霍尔开关电路的特性参数

型号 VCC/V Bop/mT BRP/mT CS1018 4.8～18 －14～20 －20～14 CS1028 4.5～24 －28～30 －30～28

BH/mT Icc/mA Io/mA Vo/sat Ioff/μA ≥6 ≥2

≤12 ≤9 ≤30 ≤9 ≤9 ≤9 ≤9 ≤9 ≤8

5 25

≤0.4 ≤0.4

≤10 ≤10

备注

CS2024 4.0～20 10～20 －20～－10 ≥6 CS302 3.5～24

0～6

－6～0

≥6 ≥5 ≥2 ≥2 ≥5

300 ≤0.6 5 25 25 25 20 50

≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4

≤10 互补输出 ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤10

锁定

UGN3119 4.5～24 16.5～50 12.5～45 A3144 4.5～24 7～35 UGN3140 4.5～24 7～20 A3121 4.5～24 13～35

5～33 5～18 8～30

UGN3175 4.5～24 1～25 －25～－10 ≥2

2.2.2.3 差动霍尔电路(双霍尔电路)

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，其功能框图见图6。

图6 差动霍尔电路的工作原理图

使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

2.2.2.4 其它霍尔电路

除上述各种霍尔器件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等待。

3 霍尔器件的应用 3.1 应用的一般问题

3.1.1 测量磁场

使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。

3.1.2 工作磁体的设置

用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个5×4×2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。

因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。

工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。如图7所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。

图7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式

在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50μm。

图8 在霍尔器件背面放置磁体

也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。

3.1.3 与外电路的接口

霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。

以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值

（4）

和这个阻值最接近的标准电阻为560?，因此，可取560?的电阻器作为负载电阻器。

用图9表示简化了的霍尔开关电路，图10表示与各种电路的接口：（a）与TTL电路；(b)与CMOS电路；(c)与LED；(d)与晶闸管。