霍尔元件原理

霍尔元件是一个大家所熟悉的词，霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转速,如录象机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用.但是霍尔元件的工作原理却不见得每个人都了解。本文就来探讨一下霍尔元件的工作原理！

霍尔元件的基本原理

如下图所示，取一长度为L、宽为w和厚度为D的半导体基片，在基片上加控制电流IH，其方向如图2—1中所示，并在片子平面法线方向上加一个磁感应强度为B的磁场，这时在垂直于电流和磁场的方向上(即霍尔元件的输出端)，将产生一个电压UH，这个电压就称为霍尔电压。其大小与所加控制电流IH及磁感应强度B的乘积成正比。





霍尔元件原理图



霍尔元件工作原理视频



霍尔元件的原理及应用 

说完霍尔元件的基本原理，我们接下来讨论下霍尔元件的原理及应用。

由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：

Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。

对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。

一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。

开关型霍尔传感器的原理及应用

开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图3看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。对于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V～24V。

开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管，从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向；调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子换向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。

线性霍尔元件的原理及应用

UGN350lT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350lT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单，先使B=0，记下表的示值VOH，再将探头端面贴在被测对象上，记下新的示值VOH1。

    ΔVOH=VOH1-VOH

如果ΔVOH＞0，说明探头端面测得的是N极；反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V／T，由此即可测出相应的被测磁感应强度B。

如果采用数字电压表(DVM)，可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130。该电路的具体调零方式为：开启电源后，令B=0，调节W1使DVM的示值为零，然后用一块标准的钕铝硼磁钢(B=0.1T)贴在探头端面上，调节W2使 DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV，则探头端面检测的是S极，磁场强度为0．02T。本高斯计也可用来测量交变的磁场，不过 DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。

霍尔元件工作原理(附加参考)
 
应用霍尔效应的半导体。
所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为:
                              UH=RHIB/d  （1）   RH=1/nq（金属） （2）
式中 RH——霍尔系数；n——单位体积内载流子或自由电子的个数；q——电子电量；I——通过的电流；B——垂直于I的磁感应强度；d——导体的厚度。
对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（2）不同，此处从略。
由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
如果把霍尔元件集成的器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

结语

霍尔元件在工程师各种产品设计应用是比不可少，因此必须要对霍尔元件工作原理有着比较透彻的了解。当然笔者也水平有限，欢迎大家拍砖探讨关于霍尔元件的各种问题！