霍尔效应 IC 应用指南

回答常见的传感器 IC 技术问题,例如“什么是霍尔效应?”

 

Allegro MicroSystems 公司将最先进的集成电路技术和具有百年历史的霍尔效应融为一体,用以生产全新的霍尔效应 IC。这些无触点的磁触发开关与传感器 IC 不仅能简化电气和机械系统,还能提高系统的性能。

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低成本简化开关

简化开关是霍尔传感器 IC 的强项。霍尔效应 IC 开关在单个集成电路芯片中融合了霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发电路和晶体管输出电路。其输出干净、迅速且不会发生开关跳跃(机械开关的固有问题)。霍尔开关通常以最高 100 kHz 的重复频率工作,而且比普通的电动机械开关的成本要少很多。

高效、精确、低成本的线性传感器 IC

线性霍尔效应传感器采用磁偏探测电磁体、永久磁体或铁磁体的磁场强度中的运动、位置或变化。能耗极低。输出是线性的,而且温度稳定。传感器 IC 的频率响应平直,最高约为 25 kHz。

与电感或光电子传感器相比,霍尔效应传感器 IC 更高效、更精确,成本也更低。

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适用于恶劣工作环境的敏感电路

霍尔效应传感器 IC 能有效抵御环境中的有害物质,所以适用于在环境恶劣的条件下工作。这种电路非常灵敏,并能在紧公差应用中提供可靠、重复的操作。 

应用

霍尔效应 IC 目前可用于点火系统、速度控制系统、安全系统、校正系统、测微计、机械极限开关、计算机、打印机、磁盘驱动器、键盘、机床、钥匙开关和按钮开关。它们还能用于转速计取样、限流开关、位置检测器、选择器开关、电流传感器、线性电位计、旋转编码器和无刷直流电机整流器。

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霍尔效应:工作原理?

基本霍尔元件是一小片半导体材料,也称霍尔元件或有效面积,如图 1 所示。

图 1(霍尔效应器件原理图)

图 1.霍尔效应器件的有效面积原理图,其中霍尔元件由标有 X 的组件表示。

图 2 所示的恒压电源产生的恒定偏置电流,即 IBIAS,会在半导体片材内流动。输出电压 VHALL 可沿片材的宽度方向测量。在无磁场的情况下,VHALL 的数值可以忽略。

图 2

图 2。无磁场时的 VHALL

如果将偏压霍尔元件放在通量线与偏置电流垂直(参阅图 3)的磁场中,电压输出的变化会与磁场强度成正比。这就是在霍尔 (E. F. Hall) 于 1879 年发现的霍尔效应。

图 3

图 3。与偏置电流垂直的磁通量(绿色箭头)产生的霍尔效应(感应 VHALL)。

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线性输出霍尔效应器件

基本霍尔元件的输出电压很小。这会产生问题,特别是在电气噪声环境中。在电路中添加一个稳定的优质 DC 放大器和电压调整器(参阅图 4 和 图 5)不仅能有效改善传感器输出,还能允许霍尔效应器件在更广的电压范围内工作。改造后的器件能提供易于使用的模拟输出,这种线性输出与应用的磁通量密度成比例。

图 4

图 4。带 VHALL 放大的霍尔电路

图 5

图 5。具有电压调整器和 DC 放大器的霍尔效应器件

要了解 Allegro 的线性输出器件的最新产品名录,请访问:线性位置传感器 IC

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数字输出霍尔效应开关

增加内置磁滞的施密特触发阈值检测器,如图 6 所示,能使霍尔效应电路具备数字输出功能。当施加的磁通量密度超过一定限制时,触发器会准确地将关闭状态切换成开启状态,而不必出现触点颤动。内置磁滞会产生一个磁盲区,在经过阈值后,该区域中的开关动作会禁用,从而能消除振荡(乱真输出开关)。

图 6

图 6。具有数字输出功能的霍尔电路

为电路增加集电极开路 NPN 或 N 沟道场效应 (NFET) 晶体管(参阅图 7),能使开关具备数字逻辑兼容功能。场效应管是一种饱和开关,它会在施加的磁通量密度大于器件开启跳变点的地方,对输出终端进行接地短路。开关能兼容所有数字产品系列。输出晶体管能吸收足够的电流,以直接驱动多种负载,包括继电器、三端双向晶闸管、可控硅整流器 (SCR) 和灯具。

图 7

图 7。霍尔开关的常用电路元件

图 7 所示的电路元件焊装在单晶硅片上,并在小型环氧或陶瓷封装内密封压制,它们是所有霍尔效应数字开关的常用电路元件。霍尔效应器件类型之间的区别主要是规格的差异,如磁力性参数、工作温度范围和温度系数。

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工作状态

所有霍尔效应器件均由磁场激活。必须为器件安装底座并提供电气连接。包括加载电流、环境条件和电源电压必须在数据表所示的极限范围内。

磁场有两个重要特性:磁通量密度 B(主要指磁场强度)和磁场极性(磁北极或磁南极)。对霍尔效应器件而言,与其有源区相关的磁场方向也很重要。霍尔效应器件的有效面积(霍尔元件)埋置在硅片上,该硅片与封装的一个特定面平行并略靠近其内部。该表面也被称为标记面,因为它通常是标记型号的一面(每个器件的数据表都会显示距离印记面的有效面积深度)。为使开关以最佳状态工作,必须保证磁通量线以垂直方式横越有效面积(平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘),而且必须在横越时具有正确的极性。因为有效面积更靠近封装包背部的印记面,并暴露在硅片的印记面一侧,所以采用这种朝向能产生更清晰的信号。

在无磁场的情况下,大多数霍尔效应数字开关都会关闭(输出开路)。只有存在有足够磁通量密度的磁场,并且沿正确的方向具有正确的极性时,这些开关才会开启。例如,磁南极靠近印记面会执行开关动作,而磁北极不会产生任何影响。在应用中,将一小块永久磁体的磁南极靠近平面霍尔开关的印记面或垂直霍尔开关的感应边缘(参阅图 8)会使输出晶体管开启。磁体从任意方向接近时,3D 霍尔开关的输出将打开。

磁体相对于器件有效面积的平面和中心线的运动,使霍尔效应器件开始工作

图 8。磁体相对于器件有效面积的平面和中心线的运动,使霍尔效应器件开始工作

可使用转移特性曲线,以图表形式阐释该原理。图 9 和图 10 显示了随霍尔元件中存在的磁通量密度 B(单位:高斯 (G);1 G = 0.1 mT)变化的输出电压。横轴显示的是磁通量密度。纵轴显示的是霍尔开关的数字输出。注意,此处应用了代数符号约定,即增加的正值 B 表示增强的南极磁场,增加的负值 B 表示增强的北极磁场。例如,+200 B 磁场和 –200 B 磁场的强度相同,但具有相反的极性(分别是磁南极与磁北极)。

如图 9 所示,在无磁场 (0 G) 的情况下,开关处于关闭状态,在外部上拉电阻器的作用下输出电压等于电源电压 (12 V)。然后使永久磁体的磁南极沿垂直方向靠近器件的有效面积。当磁南极靠近开关的印记面(平面霍尔元件)或感应边缘(垂直霍尔元件)时,霍尔元件会暴露在逐渐增强的正磁通量密度下。当磁场强度达到临界点(本例中为 240 G)时,输出晶体管会启动,输出电压达到 0 V。磁通量密度的该数值被称为 工作点,BOP。继续提高磁场强度不会产生影响;开关已经打开,并会一直保持开启。应用到霍尔效应传感器的磁场强度没有上限。

图 9

图 9。逐渐靠近的磁南极产生的磁通量不断增大,从而激活了霍尔开关的转移特性(开启)

由于内置磁滞的作用,因此要关闭开关,必须使磁通量密度的数值远低于 240 G 工作点(此类图表有时被称为磁滞图表)。在本例中,我们使用 90 G 磁滞,也就是说,当磁通量密度减小到 150 G(图 10)时,器件会关闭。磁通量密度的该数值被称为 释放点,BRP

图 10

图 10。逐渐远离的磁南极产生的磁通量不断减小,从而停用霍尔开关的转移特性(关闭)

为从该图中获取数据,需要增加一个电源和负载电阻,以限制通过输出晶体管的电流,并使输出电压的数值接近 0 V(参阅图 11)。

图 11

图 11。转移特性图表的测试电路

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特性与公差

启动和关闭霍尔开关所需的准确磁通量密度值会因多种因素的影响而不同,其中包括设计标准和制造公差。极端温度条件也会对工作状态和释放点产生一定程度的影响,经常也被称为开关阈值或开关点。

数据表提供了与每种器件类型的工作点、释放点数值和磁滞相对应的最坏情况下的磁特性。

必须保证达到或低于最大工作点磁通量密度时,所有开关都会开启。当磁场减弱时,所有器件都会在磁通量密度降至最小释放点数值以下前关闭。必须保证每种器件都保留最少量的磁滞,以确保开关动作清楚准确。这种磁滞能确保开关输出迅速、准确,而且只会在每次阈交时进行,即使在机械振动或电气噪声环境下也是如此。

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入门指南

由于电气接口通常能直接说明问题,所以霍尔效应系统的设计应从物理方面开始。在位置感应或运动感应应用中,应回答下列问题:

  • 有多少种什么类型的运动?
  • 需要什么样的角精度和位置精度?
  • 固定感应设备和触发磁体的空间有多大?
  • 移动组件的运动范围是多少?
  • 在设备的有效使用期内,预计出现的机械磨损程度?
  • 产品将会是批量生产的组件,还是能单独调节和校准的限量设备?
  • 预计的温度极限是多少?

仔细分析一定会让您受益匪浅。

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分析

要对磁体的磁场强度进行研究。磁场的强度在极面上应该是最强的,而且将随着与磁体之间距离的增大而减弱。利用高斯计或校准的线性霍尔效应传感器 IC 可测量磁场的强度,磁场强度分布也是沿设计的磁体运动直线距离的函数。霍尔效应器件的规格(以 mV/G 表示的灵敏度适用于线性器件,以 G 表示的工作点和释放点适用于数字器件)可用于确定一种磁体和运动类型的关键距离。请注意,这些磁场强度分布不是线性的,而且磁通量密度曲线的形状很大程度上取决于磁体形状、磁电路和磁体的运动路径。

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有效总气隙 (TEAG)

有效总气隙 (TEAG) 是有效面积深度(AAD,即器件印记面/边缘下方的霍尔元件的深度)与气隙(AG,即封装面与磁体或目标表面之间的距离)之和。气隙 (AG) 是一种越小越好的机械间隙,它应符合磁体的尺寸公差、轴承公差、轴承磨损,以及对霍尔开关安装支架的温度影响。图 12A 是随 TEAG 变化的磁通量密度的曲线图,它说明在传感器处封装较薄(Allegro UA 封装的有效面积深度约为 0.50 mm)时,会导致磁通量密度明显增加。其实际增量主要取决于特定磁体的磁通量密度的磁性曲线斜率。注意,图表还显示了其他物理因素对磁通量密度的影响,如器件自身的封装厚度,以及应用的传感器组件的重叠注塑或防护涂层。

有效总气隙、有效面积深度的定义,以及封装本身对磁信号强度影响的示例

图 12A。有效总气隙、有效面积深度的定义,以及封装本身对磁信号强度影响的示例(参阅图 25,了解用于该数据的磁体规格)


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工作模式

即使是简单的条形或棒状磁体,也会有多种可能的移动路径。磁极可沿垂直方向向平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘移动。这被称为迎面工作模式。图 12B 中的曲线显示了随圆柱形磁体的 TEAG 变化的典型磁通量密度(单位:高斯)。

迎面工作模式实例

图 12B。迎面工作模式实例



迎面工作模式很简单,效果也很好,而且不易受到侧向运动的影响。设计人员应注意,如果发生碰撞,过度的机械拉伸可能对霍尔器件的环氧封装造成物理损坏。

第二种配置是使磁体平行于印记面或器件封装的感应边缘,沿霍尔器件左右移动。这就是侧滑工作模式,如图 13 所示。注意,当前绘制的距离不是有效总气隙,而是从磁体中心线到有效面积中心线的垂直距离。指定气隙是因为它有明显的机械重要性,但需要牢记的是,在进行与磁通量密度有关的计算时,必须像以前一样,在使用的 TEAG 中加入封装厚度。侧滑工作模式通常在可能产生过度机械拉伸时避免接触。与迎面工作模式相比,在精心设计的侧滑磁路中使用强磁体和/或铁质通量集中器不仅能提高传感精度,还能缩短磁体的运动距离。

侧滑工作模式的实例,它显示了磁体中心线与有效面积中心线之间的位移变化产生的影响

图 13。侧滑工作模式的实例,它显示了磁体中心线与有效面积中心线之间的位移变化产生的影响



磁体制造商通常会提供其生产的磁体迎面工作模式下的磁通量密度曲线,但他们通常不会描述侧滑工作模式的特性,这可能因为气隙选择不同,从而会导致这些曲线数量的不确定。然而一旦选定了一个气隙,那么使用已有的迎面式磁体曲线,通过在有效总气隙上标注数值,就能找到侧滑工作模式的磁通量密度的峰值(单个点)

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大斜率与高磁通量密度

对线性霍尔效应器件而言,其在既定位移中的磁通量变化越大,输出就越大 - 这是一种显而易见的优势。数字霍尔效应器件应具有同样的特性,但具体原因可能更微秒。要在既定的应用中实现一致的开关动作,必须在与磁体相关的同一位置开启和关闭霍尔效应器件。

为阐释该原理,我们以图 14 所示的两种不同磁体外形的磁通量密度曲线为例。当工作点的磁通量密度是 200 G 时,在两种情况下,只有距离达到约 3.6 mm,数字霍尔效应器件才会开启。如果制造公差或温度影响使工作点变为 300 G,曲线 A(大斜率)中开关动作开始时的距离变化不大。但在曲线 B 中,距离变化非常显著。释放点(未显示)也会受到同样的影响。可以对本例中说明的基本原理进行修改,使其包括机械器件和设备规格公差,这些原理也可用于最坏情况的设计分析。此过程的实例将在后面部分阐释。

侧滑工作模式的实例,两种不同的有效总气隙的影响对比

图 14。侧滑工作模式的实例,两种不同的有效总气隙的影响对比



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叶片断续器开关

在该工作模式中,触发磁体与霍尔效应器件固定在单独的刚性组件上,两者之间保留很小的气隙。在该位置中,触发磁体会使霍尔效应器件一直保持开启状态。如果在磁体和霍尔效应器件之间放一个铁磁板或叶片(如图 15 所示),叶片就会形成一个磁分路,导致磁场能量从霍尔器件上转向。

图 15

图 15。叶片断续器的工作实例:(左图)无叶片中断的正常磁通路径,(右图)叶片使磁通量转向

采用可移动的叶片是开关霍尔器件的可行方法。霍尔器件与磁体能模压成一个元件,这样就能消除对准的问题,从而可产生极其稳定和可靠的开关组件。中断磁通量的铁叶片或叶片能像在汽车分电器内一样,进行线性移动或回转运动。由于能磁通量密度的大斜率/距离曲线,所以铁叶片组件经常用于在较大温度范围内进行精确开关的操作。

铁叶片能做成多种外形,如图 16 所示。采用与图 16B 类似的线性叶片能在 125°C 的温度范围内,重复感应 0.05 mm 以内的位置。

图 16

图 16。叶片断续器的典型配置:(A) 碟式叶片 (B) 线性叶片和 (C) 杯式叶片

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数字霍尔效应器件的电气接口

数字霍尔开关的输出级是一个常用的开极 NPN 三极管(参阅图 17)。其使用规则与其他所有类似的开关三极管一样。某些数字霍尔器件尤其是微功率器件可能有使用 MOSFET 器件创建的推挽式输出级。这些器件不需要外部上拉电阻器。具体信息,请参阅器件数据表。

当三极管关闭时,其具有很小的输出漏流(一般只有几毫微安),通常可以忽略不计,而且不得超过最大(击穿电压)输出电压(通常为 24 V)。

当三极管打开时,输出短路至常见电路中。流过开关的电流必须经过外部限流,使其低于最大电流值(通常为 20 mA),以防止开关损坏。通过开关的压降 VCE(sat)) 将会增加,从而获得较高的输出电流值。确认该电压与要控制的电路的关闭(或“逻辑低”)电压相一致。某些数字霍尔传感器(例如针对汽车应用的传感器)设有内置限流功能,用于保护输出级。具体信息,请参阅器件数据表。

霍尔效应器件的开关非常快,其上升和下降时间通常在 400 毫微秒范围内。这是少有的显著优势,因为开关时间几乎全部由反应更慢的机械部件控制。

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普通接口电路

图 17 显示了霍尔数字开关的简化图解符号。它能使后面的详细说明更易于理解。

图 17

图 17。具有集电极开路输出级的霍尔效应器件(简化的霍尔电路图示可在下文的图中使用)

数字逻辑集成电路的接口通常只需要一个适用的电源和负载电阻。

采用消耗电流的逻辑系列电路时,如 DTL 或流行的 7400 TTL 系列(图18 A),霍尔开关在开启时,只须消耗常见电路一个单位负载的电流(TTL 最大为 1.6 mA)。如果采用 CMOS 门电路(图 18B),除开关瞬态外,只有负载电阻上有电流通过(此例中约为 0.2 mA)。

图 18a

图 18A。TTL 逻辑接口

图 18b

图 18B。CMOS 逻辑接口

通常,需要灌电流最高为 20 mA 的负载能直接由霍尔开关驱动。

发光二极管 (LED) 指示灯是一个很好的例子,它只需要一个电阻将电流限定为一个合适的值。如果在电流为 20 mA 时,LED 的电压下降 1.4 V,可采用下列公式计算一个 12 V 电源需要使用的电阻:

(12 V - 1.4 V) / 0.02 A = 530 Ω

最近似的标准值是 560 Ω,从而形成了图 19 所示的电路。

图 19

图 19。能被直接驱动的小 (≤20 mA) 灌电流负载的实例

灌电流超过 20 mA 需要使用电流放大器。例如,如果需要 4 A 开关特定负载,而且必须在触发磁体靠近时开启,可使用图 20 所示的电路。

图 20

图 20。驱动中等 (>20 mA) 灌电流负载的实例

当霍尔开关关闭(磁通量不足以使其工作)时,约 12 mA 的基极电流会通过 1 kΩ 电阻流向 Q1 三极管,从而使其饱和,并将 Q2 的基极电流短接至地,以使负载保持关闭。当磁体靠近霍尔开关时,它会开启,并对 Q1 的基极电流短接至地,并将其关闭。这允许:

12 V / 56 Ω = 210 mA

的基极电流流向 Q2,该电流足以在负载电流为 4 A 或更小时使其饱和。

通过配置外部三极管,霍尔开关能为其“开启”或“关闭”状态提供负载电流。例如,图 21 显示了使用继电器开启 115 或 230 VAC 负载时,在“开启”状态提供电流的实例。

具有 12 V 线圈的典型继电器需要 40 与 60 mA 之间(取决于具体继电器)的电流驱动,以在“开启”状态触发,此时高压触点会关闭。要完成此操作,可采用大小合适的 PNP 晶体管,如图 21 所示。

图 21

图 21。在霍尔效应器件的“关闭”状态提供电流的继电器驱动应用

当霍尔开关开启时,9 mA 的基极电流会从 PNP 晶体管的基极流出,从而能使其饱和,并允许其驱动足够的电流以触发继电器。当霍尔开关关闭时,不会有基极电流从 PNP 三极管流出,所以三极管会关闭,并防止线圈电流通过继电器。4.7 kΩ 电阻可在 PNP 的基极充当负载电阻,以在霍尔开关禁用时,使其保持关闭状态。沿继电器线圈放有一个续流二极管,以防止因 PNP 突然关闭导致 PNP 集电极出现开关瞬变。注意,+12 V 常用电源与 AC 线路的中性线隔离。这提供了一种相对安全的方式,以利用低压 DC 电路开关高压 AC 负载。像以前一样,在处理 AC 线电压时,必须非常小心,而且要采取适当的安全防护措施。

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霍尔开关的旋转触发器

常见应用包括使用霍尔开关产生与速度、位移或转轴位置成比例的数字输出。旋转应用所需的触发磁场能以下列两种方式提供:

(a) 磁性转子组件

将触发的磁体固定在转轴上,固定的霍尔开关在每次经过磁南极时都会被触发(图 22 A 部分)。如果在每次旋转时需要多次触发,有时可通过模压或剪切塑料或橡胶磁性材料制作低成本的转子(参阅廉价替代选项部分)。

图 22

图 22.转子的典型配置:(A) 磁叶片 和 (B) 铁叶片

也可使用环形磁体。环形磁铁是能在市面上购得的盘片状磁体,其磁极沿磁铁的圆周间隔排列。它们能以可靠和低成本的方式控制霍尔开关。环形磁铁也有其应用局限:

  • 磁极位置的精确性(通常在 2 度或 3 度以内)。
  • 磁极强度的均匀性(±5% 或更差)。

在需要精确开关的应用中,必须考虑这些局限。

(b) 铁叶片转子组件

在该配置中,霍尔开关与磁体都处于静止状态(图 22 B 部分)。转子的每个铁叶片通过时,会中断磁通量并使其转向(参阅图 15)。

叶片开关比环形磁铁略贵,但由于铁叶片的尺寸和外形能精确控制,所以它们经常用于需要精确开关的应用或工作循环控制中。

正确设计的叶片开关能产生斜率很大的磁通量密度曲线,并能在更大的温度范围内执行精确和稳定的开关动作。

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霍尔开关应用的环形磁体

磁铁供应商可提供采用各种不同材料和外形生产的,适用于霍尔开关的环形磁体。磁极的极性方向可能是放射状(图 23 A 部分),也可能是轴心对称的(图 23 B 部分),在直径 25 mm 的环形磁体上,最多可形成 20 个磁极对。在尺寸和磁极数一定的情况下,磁极呈轴心对称分布的环形磁体具有更高的磁通量密度。

图 23

图 23。常见的环形磁铁类型:(A) 径向与 (B) 轴向;示意图稍后在列线图中使用



最常用的材料是不同类型的 Alnico、陶瓷 1 号和以橡胶或塑料为基体材料的钡铁氧体(参阅表 4)。制造商通常都会提供现货尺寸和磁极对的选项。也可选择专门定制,但这样会增加成本。

Alnico 是多种铝镍钴合金的统称,它们具有较广的磁性范围。通常,Alnico 环形磁体具有最高的磁通量密度,当温度变化时,其磁场强度的变化最小,但同时成本也最高。由于它们非常坚硬,因此除非打磨,否则很难使其成形,而且这些材料很脆,这使得轴承或柄轴很难固定。

与 Alnico 磁体相比,陶瓷 1 号磁铁(商标为 Indox、Lodex)的磁通量密度要低一些,当温度变化时,其磁场强度的变化很大。但它们的成本较低,而且具有很强的抵御外部磁场消磁的能力。陶瓷材料可以防止大部分化学物质的侵入,并具有很高的电阻率。与 Alnico 一样,相比于霍尔开关和其他半导体,它们具有更出色的耐温性,如果需要进行再成形或修整,必须对其进行打磨。它们可能需要一个支撑柄轴,以减少机械应力。

橡胶和钡铁氧体环形磁体在成本、磁通量密度和温度系数方面与陶瓷 1 号基本相同,但其很软,因此采用常规方法就能对其塑形。在一些应用中,还可将其铸压在轴上。根据特定材料的不同,它们的使用温度限制范围在 70°C 至 150°C 之间,而且其磁场相对于温度的变化程度比 Alnico 或陶瓷 1 号要高得多。

无论使用何种材料,环形磁体在极性位置精度和磁极强度的均匀性方面都受到一定限制,这反过来也限制了输出波形的精确性。根据估算,橡胶、塑料和陶瓷磁体上的极性位置通常与目标物体相差 ±2° 或 ±3° 以内,而实际测得的误差为 ±5°。磁极到磁极的磁通量密度差通常为 ±5%,虽然也有磁差高达 ±30% 的情况。

图 24 是直径 25.4 mm 的典型 4 磁极对陶瓷环形磁体中,磁通量密度随角位置变化的曲线图,其有效总气隙 (TEAG) 为 1.7 mm(1.3 mm 的间隙加 0.4 mm 的封装厚度)它清楚地显示了极性位置误差和磁极到磁极的磁场强度的变化。

环形磁体的磁通量特性

图 24。环形磁体的磁通量特性



对环形磁体的不断研究,使其具有了足够的磁通量密度,以形成可靠的开关切换。在既定尺寸的环形磁体中,磁极对数量和磁通量密度之间形成了平衡。因此,磁极数多的环形磁体具有更低的磁通量密度。重要的一点是,应使有效总气隙 (TEAG) 保持最小,因为在很多常见的环形磁体中,霍尔作业区的磁通量密度每毫米会降低 200 至 240 G。图 25 中清楚地显示了这点,这是在典型的 20 磁极对的塑料环形磁体中,磁极的磁通量密度随 TEAG 变化的曲线图。

图 25。窄极距对磁信号强度影响的实例

图 25。窄极距对磁信号强度影响的实例



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双极霍尔数字开关

双极开关具有一致的磁滞性,但个别器件的开关点发生在相对偏正极或偏负极的范围内。因为磁场极性的交替确保了开关点的切换,并且一致的磁滞性确保了周期性,故而这些器件适用于需要紧密排列、南北两极交替使用的情况,从而导致所需的磁信号幅度 ΔB 最小,但磁场极性的交替能确保开关,一致的磁滞能确保周期性。

双极开关的实例是一个最大工作点 BOP(最大)45 G、最小释放点 BRP(最小)–40、最小磁滞 BHYS(最小)15 G 的开关。但最小工作点 BOP(最小)可低至 –25 G,最大释放点 BRP(最大)可增至 30 G。图 26A 显示了具有这些开关点的假设开关的特性。图 26A 顶部的曲线“最小 ΔB”显示了一个小的振幅如何引起开关的切换。“单极模式”开关的开关点完全在正极(南极)范围内,“负单极模式”开关的开关点完全在负极(北极)范围内,“锁存模式”开关的开关点会跨越南极和北极范围(工作方式类似于下节描述的霍尔器件类型,数字锁存)。由图 26A 底部的 VOUT 曲线可以看出,对于每种可能性,输出的工作循环都完全不同,但每个磁极交替处的一致开关很可靠。

图 26a

图 26A。一个双极开关可能的开关点范围实例(与低磁通振幅、窄间距磁极交替目标一起使用)



在前面讨论的应用中,霍尔开关在磁南极(正磁通量)靠近时工作(打开)。当磁南极移开(磁通量密度接近 0)时,霍尔开关必须释放(关闭)。在环形磁体上,南北两极都是交替出现的。释放点的磁通量密度变得不再重要,因为如果霍尔开关在磁通量趋于 0(已通过南极)时没有关闭,当紧随的北极使磁通量变为负时,它一定会关闭。双极霍尔开关利用这个额外的释放点磁通量余量来实现更低的工作点通量密度,在环形磁铁应用中,这是一个明显的优势。

要查看 Allegro 双极开关的最新产品列表,请访问:霍尔效应锁存与双极开关

双极数字开关设计实例

给出:

  • Allegro UA 型封装内的双极霍尔开关:有效面积深度 (AAD)(与封装厚度)为 0.50 mm,
  • 气隙 (AG)(必要的机械间隙)为 0.76 mm,
  • 工作温度范围:–20°C 至 85°C,
  • 最大工作点 BOP 200 G(从 –20°C 至 85°C),
  • 最小释放点 BRP –200 G(从 –20°C 至 85°C)。
  1. 计算有效总气隙 TEAG:
    • TEAG = AG + AAD
    • TEAG = 0.76 mm + 0.50 mm = 1.26 mm
    • 确定足以使霍尔开关工作的磁通量密度 B 加 40%。
      要使霍尔开关工作,磁体必须在整个工作温度范围内,以 1.26 mm 的距离提供至少 ±200 G 的磁通量密度。正确的设计实践需要增加额外的磁通量,以提供一些余量,以应对老化、机械磨损和其他无法衡量的情况。如果要增加 100 G 合理的数值所需的磁体必须在整个工作温度范围内,以 1.26 mm 的距离提供 ±300 G 的磁通量密度。
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    数字锁存

    与可能利用磁南极或磁北极释放的双极开关不同,锁存(本质上是双极)能更精确地控制工作和释放参数。这种霍尔集成电路已被设计为只在磁南极工作(打开)。在磁南极移开后,它一直保持开启状态。为使双极锁存释放(关闭),必须存在一磁北极。这种南极-北极交替工作如果设计得当,就能产生接近 50% 的工作循环,如图 26B 所示。

    图 26b

    图 26B。双极锁存特性的实例(用于精确控制工作循环、磁极交替)



    Allegro 提供了范围广泛的霍尔效应锁存,它们专门用于需要精确控制工作循环的操作环境,例如直流电机整流。锁存还能用于轴编码器、速度计元件和转速表传感器。要查看 Allegro 锁存传感器 IC 的最新产品列表,请访问:霍尔效应锁存与双极开关

    平面和垂直霍尔元件

    平面和垂直传感器基于相同的物理现象(霍尔效应),但是结构有所差异,因此感应的磁场会根据磁场与器件的方向而有所差异。平面霍尔元件的结构中,霍尔元件与芯片在同一平面上,因此可以感应垂直于印记面的磁场。垂直霍尔元件的结构中,霍尔元件与芯片所在平面垂直,因此可以感应垂直于定义的感应边缘(相对于封装印记面而言,在顶部、右侧或左侧)的磁场。

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    环形磁体的详细分析

    温度影响

    可惜的是,磁体强度在一定程度上要受温度的影响。表 1 提供了一些普通磁材料的温度系数。

    表 1。温度影响
    材料 温度系数
    橡胶/塑料 0–0.2% 至 –0.3% / °C
    陶瓷 1 –0.15% 至 –0.2% / °C
    Alnico 2, 5 –0.02% 至 –0.03% / °C
    Alnico 8 ±0.01% / °C

    如果按照 -0.2%/°C 的最坏情况的温度系数考虑一个陶瓷 1 号环形磁体,就需要增加一些额外的磁通量密度,以满足常温的要求,确保在 +85°C 下,每个磁南极仍具有 300 G 的磁通量密度。数值为:

    [(85°C - 25°C) x 0.2%/°C] 300 G = 36 G

    因此,要确保霍尔开关在温度范围内工作,+25°C 时的每个磁南极的磁通量密度应为 300 G + 36 G = 336G。

    对于磁北极的要求可采用相同的步骤。如果磁体要在 +85°C 时提供每个磁南极 300 G 和每个磁北极 -300 G 的磁通量密度,由于温度系数为负,其在 -20°C 时将在每个磁北极提供更高的磁通量密度。

    在温度条件要求更严格的应用中,Alnico 磁体比我们考虑的陶瓷磁体要好得多。您也可以指定符合应用要求的规格,以定制霍尔开关。例如,为了满足应用需要,您可以指定一个特定温度下工作点和释放点的范围,以及工作点和释放点的温度系数。通常,霍尔开关的工作点和释放点的温度系数小于 0.3 G/°C,工作点的磁通量密度小于 100 G。

    如果想要使用低成本、低磁通量密度的环形磁体,Allegro UA 型封装(SIP,总厚度 1.55 mm)中的器件将是您的最佳选择。作业区深度 (AAD) 为 0.50 mm,这会使磁体的磁通量密度的峰值明显提高,如图 25所示。如果需要更小的封装或更小的气隙,左侧封装 (SOT23-W) 小于总厚度(1 mm),AAD 为 0.28 mm。

    如果您需要使用低成本、低磁通量密度的环形磁体,Allegro UA 型封装(总厚度 1.55 mm)中的器件将是您的最佳选择。作业区深度 (AAD) 为 0.50 mm,这会使磁体的磁通量密度的峰值明显提高,如图 25所示。

    如果转子驱动能承受扭矩增加的需要,那么可以考虑使用一个磁通量集中器。按此方式,磁通量密度能从 10% 增加至 40%。将 0.8 mm 厚的软钢集中器固定在与其尺寸相同的霍尔开关的背面,能够使磁通量密度增加约 10%。从器件背面至相邻磁极的软钢回路能使磁通量密度增加更多。通常可以组合使用固定架和磁通量集中器的功能(参阅图 59的实例)。

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    一种成本低廉的选择

    创新的设计能产生令人称奇的出色效果。橡胶和塑料磁体入库时按片保存。该磁体片的一面为磁北极,另一面为磁南极。这种材料相对便宜,而且能冲压或冲切成各种形状。

    这些属性能确保设计人员制作性能优异、成本低廉的磁转子。橡胶磁体可冲切成星形转子,如图 27 所示。采用尼龙套管做成它的轴,如图 28 所示。

    图 27

    图 27。作为廉价环形磁体的橡胶磁体的布局实例



    图 28

    图 28。廉价环形磁体的尼龙套管实例



    最后,将一个薄的软钢支承板固定在组件的背面,以提供一定的机械强度,并帮助引导磁通量从磁北极返回反面。这确实能帮助在轮齿之间形成明显的磁北极,在磁南极轮齿之间测定的磁通量为复值。图 29 显示了完整的磁转子组件,主要是一个具有轴对称磁极的环形磁体。

    图 29

    图 29。廉价环形磁体组件的实例



    对霍尔开关进行固定,使其有效面靠近转子组件的顶部,并面向标记的磁极。这种方法具有多功能性,因为这样分布不均的磁极可用于制作打开时间能灵活调节的转子,因此可用作计时凸轮。图 30 显示了能调至 180° 开,再调至 180° 关的凸轮计时器。

    图 30

    图 30。调至 180° 开,再调至 180° 关的环形磁体的实例



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    环形磁体选择

    当与磁体销售商讨论应用需要时,要考虑以下因素:

    • 机械因素
      • 尺寸与公差
      • 固定孔类型和最大离心率
      • 旋转速度
      • 所需的机械支撑
      • 膨胀系数
      • 磁性因素
        • 磁极:数量、朝向和位置精确度
        • TEAG 既定时的磁通量密度(请记住在间隙数字中加入霍尔开关的封装部分)
        • 磁性温度系数
        • 环境因素
          • 材料对工作环境的容限(温度、化学溶剂和电势)

          下图中列举了多种典型环形磁体的磁通量密度曲线,以便就不同的尺寸和材料选择,提供专业建议。图 31 显示了与图 25中的磁体尺寸和材料类似的环形磁体的曲线,但它只有 10 个而非 20 个磁极对(注意磁通量密度的增加值)。图 32 显示了只有一个磁极对的 Alnico 8 环形磁体的曲线。

          图 31

          图 31。塑料 1 环形磁体的磁通量密度与气隙的对比

          图 32

          图 32。Alinco 8 环形磁体的磁通量密度与气隙的对比

          图 33 显示了有三个磁极对的陶瓷 1 环形磁体的曲线。图 34 显示了有四个磁极对的陶瓷 1 环形磁体的曲线(使用和未使用磁通量集中器时)我们一直建议对环形磁体进行到货检查。通过使用市场上可购得的高斯计或固定在便携测试器件上的经校准的霍尔开关,能确保磁体规格在商定的标准范围内。Allegro将为您提供经校准的霍尔器件和技术帮助。

          图 33

          图 33。陶瓷 1 环形磁体的磁通量密度与气隙的对比

          图 34

          图 34。陶瓷 1 环形磁体的磁通量密度与气隙对比,它显示了固定在霍尔器件背面的圆柱形铁质磁通量集中器的应用结果对比

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          铁叶片旋转触发器

          铁叶片转子组件是旋转霍尔开关应用中的替代磁转子。如上所述,单个磁体将使一个霍尔开关保持开启,只有当一个转子叶片切断磁通量的通路,并将该通路从霍尔开关转向时,它才会关闭。由于能消除环形磁体的变化、位置和磁场强度的影响,所以使用单个磁体能确保进行精确开关。与环形磁体上平均分布的磁极不同,转子叶片的宽度能改变。这能改变霍尔开关的关闭和打开时间,使设计者能控制输出波形的工作循环。如果想在更广的温度范围内进行精确开关,铁叶片是非常好的选择额。当叶片穿过磁体和霍尔开关之间时,大量的磁通量将被阻挡或转向。水平方向上的较小振动对切换点的影响很小。

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          工作中的铁叶片

          图 35 显示了铁叶片磁体/霍尔开关系统的顶视图和前视图,以及随该系统产生的叶片运动而变化的磁通量密度曲线。注意,视图和图形是沿横轴垂直对齐的。位置是从叶片的前沿到磁体/霍尔器件的中心线测量的。

          回转单叶片组件与磁特性曲线,采用钐钴磁体与 Ø65 mm 铁质杯形转子 (150 G/deg.)。

          图 35。回转单叶片组件与磁特性曲线,采用钐钴磁体与 Ø65 mm 铁质杯形转子 (150 G/deg.)。

          一开始,当叶片全部位于磁体左边时,该叶片不产生任何影响,霍尔元件处的磁通量密度最大为 800 G。当叶片的前沿靠近磁体时,叶片的转向效应使磁通量密度以接近线性的形式减小。当叶片经过器件中心线时,叶片会挡住磁体,此时的磁通量密度最小。当叶片继续移动时,磁体开始露出。这样就能使磁通量增加到初始值。然后,叶片的其他运动不会对霍尔元件处的磁通量密度产生任何影响。

          由于存在磁场,所以位于传感器 IC 位置的霍尔开关开始应为打开状态。在一些磁通量密度线性减小的区域,磁通量将降至释放点以下,霍尔开关将关闭。在磁通量增加至特定霍尔开关的工作点之前,它会一直保持关闭。记住,对于该特定霍尔开关,考虑磁滞量后,工作点的磁通量密度要大于释放点的磁通量密度。

          霍尔开关保持关闭状态的时段长度(从霍尔开关释放点到下个工作点的时间)由叶片的实际长度、磁性斜率的陡度,以及霍尔开关的工作点和释放点的磁通量密度决定。该时段被称为有效叶片宽度,它始终比叶片的物理宽度要大一些。

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          转子设计

          两种常见的转子设计为碟形和杯形,如图 36 所示。

           

          图 36

          图 36。转子外形实例:(左图)具有多个叶片的碟形和(右图)杯形



          碟形转子的制作很简单,因此经常用于小规模应用中,如机械控制等。必须考虑转子的轴向运动。虽然叶片激活开关能允许这种运动,但转子绝不可打到磁体或霍尔开关。

          杯形转子的制作更为复杂,而且成本更高,但它只需处理一个径向距离,从而简化了计算,并能精确地控制输出波形。对于杯形转子,径向轴承磨损或间隙是决定间隔的重要因素,而轴向间隙相对来说并不重要。杯形转子已成功地用于汽车点火系统。设计转子时的保持时间由叶片与开口宽度比决定。在设计精良的系统中,燃点稳定性能保持在每摄氏度 ±0.005 分配度。

          材料

          叶片由低碳钢制成,以最大限度减少残留磁性,并产生良好的转向效果。要选择适当的叶片厚度,以避免必须转向的磁通量密度值的磁性饱和。叶片厚度通常在 0.8 和 1.5 mm 之间。

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          叶片宽度/开口宽度、转子尺寸

          通常,转子上最小的叶片和开口至少应为磁极宽度的 1 - 1.5 倍,以产生足够的转向作用,并在开和关的磁通量密度值之间保持足够的差额。

          在表 2 中,按三种情况,采用最大磁通量密度(在磁体上以开口为中心获得)、最小磁通量密度(在磁铁上以叶片为中心),以及两值之间的差额,制成表格:

          • 叶片和开口宽度与磁极宽度相同
          • 叶片和开口宽度为磁极宽度的 1 - 1.5 倍
          • 叶片和开口宽度为磁极宽度的 2 倍

          在每种情况下,磁体均为 6.4 × 6.4 × 3.2 mm 的钐钴磁体,气隙为 0.3 mm,转子叶片采用 1 mm 软钢片制成。

          表 2。各种叶片与开口位置及相对尺寸的磁通量密度 B
          磁体中心线的相对位置 与磁极表面相关的叶片和开口宽度系数
          1.0 × 1.5 × 2.0 ×
          以开口为中心 630 G 713 G 726 G
          以叶片为中心 180 G 100 G 80 G
          以开口为中心 - 以叶片为中心 450 G 613 G 646 G

          如果需要一个具有多个开口和叶片的小转子,那么必须使用小型的稀土磁体,以确保为可靠地操作提供足够的磁通量密度。例如一个边长 2.5 mm 的立方体钐钴合金磁体能制作直径 31.8 mm 并具有 10 个开口和叶片的转子。如果需要的叶片更少,还可进一步减小尺寸。

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          较陡的磁性曲线斜率确保可靠的开关

          对于大部分常见形状的叶片,磁通量密度相对于叶片运动的图形在切换区非常接近线性的特性(参阅图 35)。霍尔开关的工作点和释放点的磁通量密度值在这些线性切换区降低,显而易见的是,如果这些数值改变,导致开关的叶片位置必然会发生变化。图 37 显示了两个不同的磁电路中,随叶片位置变化而变化的磁通量密度。在一种情况下,磁性斜率为 98 G/mm。在第二种情况下,该数值为 107 G/mm。

          图 37

          图 37。两种应用中,随叶片运动而变化的磁通量密度值的对比,它显示了切换区的线性特性(斜率变化)

          如果 98 G/mm 系统与已知在 25°C 时的工作点磁通量密度为 300 G 的霍尔开关一起使用,那么在该温度下,当 2.2 mm 叶片通过开口中心时,该器件将切换至打开状态。如果在 125°C 时,霍尔开关的工作点的磁通量密度上升至 400 G(这表明霍尔开关的温度系数为 1 G/°C),叶片必须移动 3.1 mm 通过开口中心,开关位置改变约 1 mm。如果在斜率为 107 G/mm 的第二个系统中使用相同的霍尔开关,那么工作点将只改变约 0.5 mm,或只改变第一种的一半,因为其斜率是第一种系统中的两倍。

          典型的叶片系统中的斜率范围在 40 G/mm 至 590 G/mm 之间,而且会受到磁体类型和尺寸、磁电路,以及有效总气隙的影响。有趣的是,虽然侧滑式工作模式能形成很陡的斜率,但其切换点受横向运动(气隙改变)的影响很大,因此,一般倾向于在有空隙和轴承磨损的应用中使用叶片。

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          小气隙形成大斜率

          气隙应达到机械系统要求的那么小。要考虑的因素包括:

          • 叶片材料厚度与叶片半径
          • 最大离心率(杯式叶片)
          • 轴承公差和磨损
          • 由于考虑固定,导致温度对气隙变化的影响

          图 38 中,在一个叶片系统中使用了两种不同的钐钴合金磁体,显示了气隙和磁体尺寸变化的影响。注意它只显示了磁通量密度下降的切换区(切换区是对称的)。横轴上的距离已从叶片的前沿测得。

          图 38

          图 38。使用两种不同的钐钴磁体的相对磁场强度,以及气隙和磁通量集中器使用的差异对比(参阅要素表)



          表 3图 38 要点
          使用两种钐钴立方磁体 Allegro U 型封装的实例
          图表符号 气隙
          (mm)
          切换区
          斜率
          (G / mm)
          集中器*使用
          1 图 38 标记 1 2.5 551
          2 图 38 标记 2 2.5 388
          3 图 38 标记 3 2.5 354
          4 图 38 标记 4 3.0 343
          5 图 38 标记 5 2.5 307
          6 图 38 标记 6 3.0 248
          7 图 38 标记 7 3.0 220
          8 图 38 标记 8 3.0 177
          *圆柱形磁通量集中器,采用直径 Ø3.2 mm、长度 6.4 mm 的软钢制成,并固定在 Allegro U 型封装的无印记面。

          图 38 中使用的术语“气隙”不是指有效总气隙,它只是磁体表面到霍尔开关表面的距离。它不包括封装部分。在铁质叶片应用中经常使用 Allegro U 型封装,因为铁质叶片的有效面积很窄。

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          磁通量集中器的投入回报

          如果出于成本和尺寸的考虑,需要在图 38 中使用较小的磁体,再加上机械特性的考虑,需要较大的气隙(3 mm),而产生的磁通量密度和斜率(曲线 8)不是很好,这时该怎么办?图 38 中的曲线 7 显示,通过加入简单的磁通量集中器就能进行显著的改善。实例中使用的集中器直径为 3.2 mm,长度为 6.4 mm,并固定在霍尔开关的后部。

          磁通量集中器的设计实例

          刚考虑的磁体/集中器配置(图 38 中的曲线 7)似乎具有很高的性价比。以下是在使用直径 63.5 mm 杯形转子的汽车点火系统中应用集中器的评估。

          此应用中的初始计时和较广的温度范围,使设计人员只能按照 +25°C 时的最小和最大工作点或释放点,以及在工作温度范围内,这些参数的最大温度系数,来指定使用定制的霍尔开关。

          代表性的规格可能包括

          • 25°C 最小工作点 BOP(最小) = 300 G
          • 25°C 最大工作点 BOP(最大) = 450 G
          • 25°C 最小释放点 BOP(最小) = 200 G

          温度系数:

          • ΔBOP /Δ T 最大 = 0.7 G/°C
          • ΔBRP /Δ T 最大 = 1 G/°C

          可以设计固态霍尔效应点火系统,以在霍尔开关的工作点或释放点点火。在本实例中,系统在工作开关点点火,因此霍尔开关的工作点规范(125°C 时在 300 至 450 G 之间)将决定火花初始计时的不定量。机械系统可能也会产生一定的影响,但在这里没有考虑。

          图 39 显示了在传感器 IC 处测得的随叶片运动而变化的磁通量密度。这里需要对曲线(只显示切换区)的形状进行说明。由于平面最小和磁通量最大的区域不受影响,因此在绘制磁通量升高切换区的数据时,可以很方便地从叶片前沿到叶片边缘再到磁体中心线进行测量。当一个叶片通过磁体,中心低磁通量区被撇开,并且具有线性切换的部分被拖到一起时,对所有数据进行绘制,那么产生的曲线具有相同的外观。(平面高磁通量区域可忽略)。

          图 39

          图 39。单叶片杯式转子的磁特性的设计实例(只显示磁通量切换区)



          从此图中,我们能识别系统切换区的磁斜率,叶片每运动 1 mm,大约为 223 G。根据转子直径 (63.5 mm) 的计算结果显示,叶片运动 0.55 mm 每分配度。由图 39 获得的 223 G/mm 斜率等同于 125 G 每分配度。规范说明,霍尔开关将在 300 G 到 450 G 之间工作,并产生 150 G 的不确定开口。在 25°C 时的不确定开口:

          150 G × (分配度 / 125 G) = 1.2 分配度

          如果有效总气隙发生变化,就会对初始计时的不确定性产生额外的影响,同时将影响图 39 中磁通量密度/叶片运动曲线的形状和斜率。要考虑的因素包括磁体峰值能量乘积公差,以及最终霍尔开关/磁体组件中的制造公差。

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          工作点的温度稳定性

          早期的霍尔开关的工作点温度系数约为 0.2 G/°C。为将其转换为分配度每摄氏度,进行下列计算:

          (0.2 G / 1°C) × (分配度 / 125 G) = 0.0016 分配度 / °C

          因此,温度改变 100°C 时,分配计时将改变 0.16 度。

          典型的钐钴合金磁体的温度系数为 -0.04%/°C。以该系数工作时,在 25°C 时的 375 G 磁场,在 125°C 时将降至 360 G。将该系数应用于图 39 中的数据(磁性斜率为 223 G/mm),由图 40 可以看出,系统在 125°C 时,叶片的运动需要增加。可采用下列公式计算:

          (375 G - 360 G) × (1 mm / 223 G) = 0.1 mm

          转换为计时变化:

          0.1 mm × (1 分配度 / 0.55 mm) = 0.12 分配度

          温度改变 100°C。

          图 40

          图 40。单叶片杯式转子的磁特性的设计实例(只显示磁通量切换区),显示温度变化对工作点的影响


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          计算静止角和工作周期变化

          常规系统中的静止角是分配度数,该角度中的点均关闭。这与能够在线圈一次绕组中流动的计时电流相符。在本实例中,从霍尔开关释放开始,直至开始工作,电流一直在一次线圈内流动(这段叫做有效叶片宽度)。考虑到陈旧设备,假设有一台 8 缸发动机,需要一个具有相同尺寸的 8 开口和 8 叶片的分电器转子。因此,一个开口-叶片段占 45 分配度,并将使一个缸点火。假设一个典型的霍尔器件在 25°C 时的工作点为 375 G(图 40 的 A),在 25°C 时的释放点为 260 G(图 40 的 B),从图 40 中我们发现,在叶片的前沿通过磁体中心线之前,点火点将关闭 1 mm,在叶片后沿通过磁体中心线后,它们会打开 1.5 mm。计算叶片的有效宽度比叶片机械宽度大出:

          (1 mm + 1.5 mm) × (1 分配度 / 0.55 mm)
          = 4.54 分配度

          这就在 25°C 时形成了 (45° + 4.54°) = 49.54 分配度的静止角。工作循环为:

          25°C 时为 (49.54° / 90°) = 55%

          使用指定的最坏情况的温度系数,我们可计算 125°C 时新的工作点和释放点分别为 445 G(图 40 的 C)和 360 G(图 40 的 D)。在 +125°C 时的静止角为:

          45° + [(1.85 mm +1.47 mm) × (1 分配度 / 0.55 mm)
          = 50.9 分配度

          工作循环为:

          51° / 90° = 57%

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          轴承磨损的影响

          叶片径向运动 ±0.3 mm,位置大约调整至霍尔开关的工作点,测得的磁通量密度变化为 ±6 G。将其转换为变化值:

          6 G × (1 分配度 /125 G) = 0.048 分配度

          该值等同于 0.097 机轴度。

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          固定装置好坏也会影响稳定性

          在上例中,假设霍尔开关与磁体之间的物理关系绝对稳定。实际上,要想将此变为现实,必须在设计固定支架时多加小心。研究发现,采用成形的铝架或铜架支撑磁体或霍尔开关经常会导致系统出现与温度有关的问题。研究证实,使用模压的塑料封装是较为理想的固定技术之一。

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          正交

          双元件器件(包括综合采用平面和垂直元件的 2D 器件)是包含两个独立霍尔效应开关的集成电路。在与环形磁铁结合时数字输出为异相输出。可以通过处理这些信号来确定目标速度和方向。

          对于需要校正的方向信号,霍尔元件的开关点必须恰当匹配,而且必须保持目标磁极和两个霍尔元件(E1 和 E2)的间隔之间的正交关系。正交关系会使霍尔开关相开关相位分离
          90 °。为了优化性能,设备必须应由环形磁铁触发,环形磁铁位于设备磁场前,磁极距应为霍尔元件之间间距的两倍。周期 (T) 等于磁极距 (P) 的两倍,如图 41 和 42 以及下面的公式所示。这样可以得到
          正弦磁场,其周期对应霍尔元件之间间距的四倍。特定器件的元件间间距,请参阅产品数据表,因为这一间距是针对特定的器件。在本实例中,间距定义为 1.63 mm:

          For P = 2 × 1.63 mm = 3.26 mm
          T = 2 × 3.26 mm = 6.52 mm

          图 41。工作过程中的目标运动 – 器件相对于目标的方向

          图 41。工作过程中的目标运动 – 器件相对于目标的方向


          图 42。工作过程中的目标运动 – 机械位置(目标通过器件引脚 1 到 引脚 8 移动)

          图 42。工作过程中的目标运动 – 机械位置(目标通过器件引脚 1 到 引脚 8 移动)

           

          2D 双输出器件结合垂直和平面霍尔元件来进行二维 (2D) 感测,可以提供近乎完美的正交信号,不受磁极距的影响,不需要进行优化。 

           

          优化举措

          单独校准技术

          在有些应用中,可能需要使叶片-霍尔器件组件在一个叶片边缘位置范围比霍尔器件实际可能的工作点规定更窄的情况下工作,例如,在点火分电器的实例中,需要减小初始计时窗口。其中一种解决办法就是单独校准。可能采用下列几种或所有技术:

          • 通过改变磁体位置来调整气隙
          • 调整霍尔器件后面的磁通量集中器的位置
          • 调整固定在霍尔器件后面的偏转小磁体的位置
          • 以较小的量为磁体消磁,减小磁性曲线斜率,以增加温度影响,
          • 采用与旋转汽车分电器改变计时类似的方法,调整霍尔器件-磁体组件相对于转子的位置
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          工作模式:迎面与侧滑

          最常见的工作模式是迎面式(参阅图 12B)和侧滑式(参阅图 13)。迎面式比较简单,而且对横向运动比较敏感,但不用能用于机械拉伸过度可能损坏霍尔器件的情况。典型迎面式工作的磁通量密度分布(参阅图 43)显示磁通量值较低时,磁性斜率很小,这种缺点通常要求极大的机械运动,而且需要霍尔器件的工作点和释放点具有感应磁通量变化的极高灵敏度。通过选择具有更高工作和释放属性的霍尔器件可解决这一问题。

          图 41

          图 43。迎面式构造中的磁通量特性的实例

          侧滑式也很简单,它具有斜度合适的斜率(约 394 G/mmm),而且不存在机械运动过度的问题。但它对横向气隙非常敏感,当气隙发生变化时,磁通量密度的变化很大。这一点在图 44 的曲线中可以清楚地看到,图中绘制了不同气隙下实际的侧滑工作图。很明显,如果需要精确开关,驱动器件应具有很小的侧向气隙。

          图 42

          图 44。侧滑构造中,侧向移动对磁通量特性的影响



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          工作模式的改进复合磁体

          推-挽式

          由于平面霍尔开关的有效面积靠近封装的印记面,因此通常需要将此面靠近磁南极进行操作。还可以将一个磁北极靠近封装的背面来操作霍尔开关。只使用磁北极的情况很少,推-挽式(同时将磁南极靠近印记面,磁北极靠近背面的应用方法)能提供比任何单个磁体更大的磁场强度(图 45)。更为重要的是,推-挽构造对横向运动很不灵敏,当使用安装较松的机械结构时,可考虑使用。

          复合磁体构造的实例(霍尔器件或磁体组件均可固定),磁南极朝向印记面,磁北极朝向背面:(左图)推-挽迎面式和(右图)推挽侧滑式

          图 45。复合磁体构造的实例(霍尔器件或磁体组件均可固定),磁南极朝向印记面,磁北极朝向背面:(左图)推-挽迎面式和(右图)推挽侧滑式



          图 46 显示了具有约 315 G/mm 磁性斜率的推-挽侧滑式构造的实际磁通量密度曲线。

          图 44

          图 46。推-挽侧滑式磁体构造的磁通量特性的实例



          推-推式

          还存在另一种可能性,在迎面工作模式中使用一个推-推式构造(图 47),这样能创建一个斜率很大的双极磁场(也是线性的)。

          推-推迎面式复合磁体构造的实例(霍尔器件或磁体组件均可固定),磁南极朝向印记面和背面

          图 47。推-推迎面式复合磁体构造的实例(霍尔器件或磁体组件均可固定),磁南极朝向印记面和背面



          如图 47 所示,在推-推模式下的迎面式构造中,当机械器件居中时,磁场将相互抵消,在该位置产生磁通量密度 0。图 48 显示了采用该构造时的磁通量密度分布。该曲线是线性的,且斜率适中,比 315 G/mm 略大一点。该机械构造对于横向运动很不灵敏。

          图 46

          图 48。推-推迎面式磁体构造的实例,其中磁场在移动范围中间抵消



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          磁偏操作

          在霍尔器件的后面放一个固定的磁北极或磁南极来改变工作点和释放点,还可以使霍尔器件发生磁偏。例如,将磁北极固定在背面时,使器件正常开启,直至一个具有更强磁场的北极从反方向靠近反面(图 49)。

          图 47

          图 49。背部偏磁的磁体配置的实例,(左图)侧滑(右图)迎面



          图 50-52 显示了其他侧滑技术。在推挽式、侧滑式配置中使用复合磁体,获得 685 G/mm 的磁性斜度。可使用稀土磁体获得更大的斜率。最高可获得斜度为 3937 G/mm 的磁通量密度曲线。

          图 48

          图 50。侧滑移动的实例,磁体位于两侧;复合磁体与单独磁体



          图 51。侧滑移动的实例,磁体位于一侧,单独磁体

          图 51。侧滑移动的实例,磁体位于一侧,单独磁体



          图 52。侧滑移动的实例,磁体位于一侧,复合磁体

          图 52。侧滑移动的实例,磁体位于一侧,复合磁体



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          通过改善电路来增加磁通量密度

          磁通量可通过空气、塑料和其他大部分材料传输,只是传输的难度较大。由于没有使磁通量从触发磁体穿过(塑料和硅材料)霍尔器件的激发作用,所以,实际上只能穿过一部分材料。在器件周围流动以及从任何通道流至其他磁极的磁平衡形成了最低的磁滞(图 53)。

          图 51

          图 53。磁通量穿过空气时产生的典型磁场,只有一小部分穿过霍尔器件



          但磁通量能很容易地穿过铁磁材料,例如软钢。空气磁阻的系数比软钢的要高出几千倍。

          在霍尔器件应用中,主要目标是使从磁南极通过霍尔器件返回磁北极的磁通量通路的磁阻最小。适用于霍尔器件的最佳磁路能为磁通量提供一个铁质通路,如图 54 所示,霍尔器件自身是仅有的“气隙”。

          图 52

          图 54。使用软钢为磁通量提供低磁阻通路的实例,其中大部分磁通量穿过霍尔器件



          在需要不变形或无干扰的磁通量场中,使用一个全铁质的磁通量通路通常是不切实际、没有必要,甚至是不可能的。这一原理只是指出了为提高磁通量密度采取的切合实际的折衷方法。

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          通量集中器

          磁通量集中器为低碳(冷轧)钢磁导体。它们可提供一个从磁南极通过霍尔元件回到磁北极的低磁阻通路。磁通量集中器可有多种形状,在注重体积小或成本的应用中,通常使用更小或更便宜的磁体(或较便宜、灵敏度低的霍尔器件)。只要需要增加霍尔器件的磁通量密度,它们就有使用的价值。最高可使磁通量增加 100%。

          图 55 显示了磁通量集中器工作效果的实例。两部分显示了相同的磁体(6.4 mm2 钐钴磁体,3.2 mm 长)和支架(AG = 6.4 mm)在 A 部分,霍尔器件有效面积的磁通量密度为 187 G。在 B 部分,采用直径 3.2 mm、长度 12.7 mm 的集中器,磁通量增加至 291 G。

          图 53

          图 55。背部磁通量集中器对磁通量密度的影响(A) 不使用磁通量集中器 (B) 使用磁通量集中器



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          磁通量集中器的尺寸

          霍尔器件有效面积的面积一般为 0.3 mm2。将集中器的末端打磨成约相同的尺寸能获得最佳效果。当使用 Allegro 的 UA 封装时,从有效面积至封装背面的距离为 1.1 mm。由于存在该距离,所以集中器末端稍大一点,就能够在该有效面积产生较高的磁通量密度值。如果末端的面积过大,就无法使磁通量充分集中。图 56A、56B 和 56C 显示了使用圆柱形磁通量集中器且气隙为 6.4 mm 时产生的影响。

          图 54a

          图 56A。背部磁通量集中器的影响,直径太小,磁场强度 B 减弱



          图 54b

          图 56B。背部磁通量集中器的影响,直径太大,磁场强度 B 减弱



          图 54c

          图 56C。背部磁通量集中器的影响,直径与霍尔器件非常匹配



          磁通量集中器的长度也会对磁通量密度产生影响。图 57 显示了这种影响。

          图 55

          图 57。背面磁通量集中器长度的影响,使用 Ø3.2 mm 的钐钴磁体 AG = 6.4 mm



          为方便起见,这里我们使用了圆柱形集中器,但集中器的体型也有一定影响。重要的因素包括距离霍尔元件最近的磁体的形状、位置和表面积。

          通过使用经校准的线性霍尔器件或商用高斯计,可轻松测量其他形状的集中器的有效性。

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          将磁体固定在铁板上

          将磁体固定在铁板上能使霍尔元件处的磁通量密度进一步增加。使用与图 56C 中的磁体形状相同的磁体,该磁体产生的磁通量密度为 291 G,注意图 58A 和 58B 中获得的有效磁通量,以及铁板产生的磁通量密度的额外增加。

          图 56a

          图 58A。附在磁体上的 12.7 mm2 额外磁通量集中器的影响



          图 56b

          图 58B.附在磁体上的 25.4 mm2 额外磁通量集中器的影响



          图 59 显示了一个环形磁体应用中可能使用的磁通量集中器。使用一个延伸至两个相邻北极的磁通量集中器,磁通量从 265 G 增加至 400 G(0.4 mm 气隙)。注意集中器有一个以霍尔器件为中心的凹陷或台面。在多数应用中,该台面将在一个水平固定面上使磁通量密度明显增加。

          图 57

          图 59。台面式支架与通量集中器的实例



          引力与变形的磁通量场

          只要使用磁通量集中器,磁体与集中器之间就会存在引力。这可能对应用产生不利影响。

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          馈通

          图 60 显示了一个使用磁导体通过非铁外壳馈给磁通量的实例。如图所示,一个小型电机转子的末端固定有一个 3.2 mm 的立方钐钴磁体。一个 3.2 mm 的立方铁质导体沿合金外壳放置,并与磁南极之间保持 0.8 mm 的气隙。霍尔开关固定在另一端,开关后面是磁通量集中器。

          图 58

          图 60。从目标到霍尔器件的磁信号馈通的典型应用



          通常,馈通有效截面区和形状应与磁极相同。该原理可用于通过任何非铁材料馈给磁通量,如泵壳、管道或面板。

          图 61 中的两条曲线说明了增加馈通长度,以及霍尔开关背面的磁通量集中器对磁通量密度的影响。曲线 A 中是使用磁通量集中器获得的数值,而在曲线 B 中没有使用集中器。在两种情况下,最高磁通量密度都是利用最小馈通尺寸 L(3.2 mm)获得。磁通量密度峰值在使用磁通量集中器时为 350 G,不使用磁通量集中器时为 240 G。

          图 59

          图 61。馈通导体长度影响磁通量的实例(使用和不使用磁通量集中器)



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          磁体选择

          磁体必须在工作环境中的有效总气隙下可靠工作。它必须适合可用的空间。磁体必须能固定、价格合理而且能随时使用。

          性能系数

          常用于磁体材料的性能系数有:

          • 以高斯 (G) 表示的剩余感应 (Br)。磁场强度有多大?
          • 以奥斯特 (Oe) 表示的抗磁力 (Hc)。磁体抵抗外部消磁作用的能力有多强?
          • 以高斯-奥斯特 × 106 表示的最大能量乘积(BHmax)。一个具有优异抗消磁能力的强磁体,同时具有更高的最大能量乘积。通常,能量乘积越大,磁体越好,磁性越强,价格就越贵。
          • 温度系数。工作点或释放点在整个工作温度范围的变化率,以高斯每摄氏度表示。温度变化时,磁体的磁场强度将发生多大变化?

          磁体材料

          钕 (NeFeB)。新型的钕铁硼合金,适用于最大能量乘积高、价格适中的磁体材料。该磁体由被称为定向-挤压-烧结 (OPS) 的粉末金属技术或一种融入喷铸和传统成形技术的新处理工艺制作而成。目前工作的目标是降低生产成本,增加工作温度范围,并降低温度系数。通过使用现代镀层技术,能够克服材料氧化的问题。根据材料加工工艺的不同,最大能量乘积范围在 7 和 15 MGOe 之间。

          稀土钴(简称为 RE 钴)是一种稀土金属与钴的合金,例如钐。这些磁体在所有类别中是性能最好的,但在同等情况下,也是价格最贵的。由于太硬而难以加工,所以如果要成形的话,必须要进行打磨。最大能量乘积可能是衡量磁体质量的最佳标准,大约为 16 × 106

          铝镍钴合金是一种包含铝、镍、钴、铁和添加物的合金,改变添加物能扩大磁体的属性范围。这些磁体磁性强,而且价格昂贵,但比稀土钴磁体要便宜。铝镍钴合金磁体可铸造而成,也可通过在钢模中挤压金属粉末,对其加热来烧结制成。烧结的铝镍钴合金十分适合大量制造体积小、形状各异的磁体。它们具有更均匀的磁通量密度,而且机械性能卓越。铸造的铝镍钴合金磁体通常具有更强的磁性。未定向或等方性的铝镍钴合金 (1, 2, 3, 4) 比定向的合金 (5, 6, 5-7, 8, 9) 要便宜,但机械性能要弱一些。铝镍钴合金太硬而且很脆,除打磨之外,无法使其成形。最大能量乘积范围在 1.3 × 106 至 10 × 106 之间。

          陶瓷磁体在压缩并烧结的陶瓷材料基质中包含钡或锶铁氧体(或该族的其他元素)。它们是电和热的弱导体,化学性质不活跃,而且具有较高的抗磁力。与铝镍钴合金相比,陶瓷磁体能制成部分定向或全部定向,以获得额外的磁场强度。它们比铝镍钴合金便宜,但同样太硬而且很脆,除打磨之外,无法使其成形。最大能量乘积范围在 1 × 106 至 3.5 × 106 之间。

          铜镍铁永磁合金是一种基于软铜的镍和铁合金。它能被冲切、型锻、拉伸或圈轧成最终的形状。最大能量乘积约为 1.4 × 106

          铁铬磁体具有与铝镍钴合金 5 相似的磁性,虽然它们很软,但在最终的老化处理使其变硬之前,能够经受加工处理。最大能量乘积约为 5.25 × 106

          塑料和橡胶磁体在塑料基质材料中包含钡或锶铁氧体。这些磁体很便宜,而且能以多种工艺加工成形,根据特定的基质材料的不同,这些工艺包括冲切、模压和车加工等。由于使用的橡胶是人造的,而人造橡胶也是塑料,所以这两种材料之间的区别不明显。在通常的实践中,如果塑料磁体的韧性很好,就可称其为橡胶磁体。最大能量乘积范围在 0.2 × 106 至 1.2 × 106 之间。

          选择磁体强度

          磁体必须具有足够的磁通量密度,以在要求的气隙条件下达到霍尔开关最大工作点的规范。为保险起见,正确的设计规范会建议另外增加 50 G 到 100 G 的磁通量密度,并在预期的温度极限条件下,检查是否有足够的磁通量。

          如果霍尔开关数据表指定 25°C 时的最大工作点为 350 G,那么增加另外的 100 G 后,在 25°C 时的最大工作点为 450 G。如果需要在 70°C 工作,那么规范需求为 450 G + 45 G = 495 G。(在计算中,我们使用的工作点温度系数为 0.7 G/°C,释放点温度系数为 1 G/°C)。由于大部分磁体的温度系数都为负,所以该因素在室温时也同样需要一些额外的磁通量,以确保高温工作性能。

          抗磁力

          如果工作环境导致磁体处于较强的消磁磁场中,例如,磁体面向一个交流电机的转子附近,那么抗磁力就显得尤为重要了。低于此类应用,有必要使用具有高抗磁力的永久磁体(陶瓷、铝镍钴合金 8,最好是稀土钴)。

          价格与能量乘积峰值

          表 4 总结了常用的永久磁体及其磁属性。价格栏显示了所付价格与磁体能量乘积峰值之间的关系。

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          表 4磁性材料的属性
          材料 最大能量乘积
          (G-Oe)
          剩余感应
          (G)
          抗磁力
          (Oe)
          温度系数
          %/°C
          成本 备注
          稀土钴 16×106 8.1×103 7.9×103 -0.05 最高 最强、最小、抗消磁性最好
          Alnico 1, 2, 3, 4 1.3 至 1.7×106 5.5 至 7.5×103 0.42 至 0.72×103 -0.02 至 -0.03 非定向
          Alnico 5, 6, 5, -7 4.0 至 7.5×106 10.5 至 13.5×103 0.64 至 0.78×103 -0.02 至 -0.03 中高 定向
          Alnico 8 5.0 至 6.0×106 7 至 9.2×103 1.5 至 1.9×103 -0.01 至 0.01 中高 定向、高抗磁力、最佳温度系数
          Alnico 9 10×106 10.5×103 1.6×103 -0.02 定向、最高能量乘积
          陶瓷 1 1.0×106 2.2×103 1.8×103 -0.02 非定向、高抗磁力、硬脆、非导体
          陶瓷 2, 3, 4, 6 1.8 至 2.6×106 2.9 至 3.3×103 2.3 至 2.8×103 -0.02 低中 部分定向、抗磁力很高、硬脆、非导体
          陶瓷 5, 7, 8 2.8 至 3.5×106 3.5 至 3.8×103 2.5 至 3.3×103 -0.02 全定向、抗磁力很高、硬脆、非导体
          铜镍铁永磁合金 1.4×106 5.5×103 0.53×103 - 较软、能够冷成型和加工
          铁铬 (Fe-Cr) 5.25×106 13.5×103 0.60×103 - 能在最终老化处理前加工
          塑料 0.2 至 1.2×103 1.4 至 3×103 0.45 至 1.4×103 -0.02 最低 能进行模压、冲切和车床加工
          橡胶 0.35 至 1.1×106 1.3 至 2.3×103 1 至 1.8×103 -0.02 最低 较软
          7 至 15×106 6.4 至 11.75×103 5.3 至 6.5×103 -0.157 至 -0.192 中高 非定向

          高级应用

          限流与测流传感器 IC

          霍尔效应器件是一种性能出色的限流或测流传感器。它们的响应范围包括从直流到 kHz 交流区域。在高电流应用中,不需要切断导体。要查看 Allegro 电流传感器 IC 的最新产品列表,请访问:霍尔效应电流传感器 IC

          导体周围的磁场通常不是很密,不足以使霍尔效应器件工作(参阅图 62)。

          图 60

          图 62。与导体之间的距离增大时,磁通量密度会减小



          从导体的中心至霍尔设备的有效面积测定半径。半径为 12.7 mm 且电流为 1000 A 时,霍尔器件处的磁通量密度为 159 G。

          电流较低时,使用如图 63A 和 63B 所示的环形线圈增加通过霍尔元件时的磁通量密度。对于有 1.5 mm 气隙的 Allegro U 型封装,图 63B 所示的电路的磁增益为 6 G/A。要增加电路的灵敏度,应增加环形线圈周围导体线圈的缠绕圈数,如图 63A 所示。图 63A 的实例为 14 圈,因此其磁增益为 84 G/A。

          图 61a

          图 63A。使用线圈和环形线圈感应低电流的实例



          图 61b

          图 63B。使用环形线圈感应中等电流 (I>25 A) 的实例



          对于低频应用,磁芯材料可选择铁或软钢 (C-1010),对于高频测量,可选择铁。

          主要应考虑:

          • 当电流降至 0 时,磁芯应保持最小磁场
          • 气隙中的磁通量密度是电流的线性函数
          • 在工作温度范围内,气隙是稳定的。

          磁芯的有效截面尺寸至少为气隙尺寸的两倍,以确保在气隙中有比较均匀的磁场。例如,一个气隙为 1.5 mm 的环形线圈的截面至少为 3 mm × 3 mm。

          图 64 显示了另一种既简单又节省成本的应用。采用 1.6 mm 厚和 4.8 mm 宽的软钢制作一个直径合适的环形线圈。使末端成形并分别固定在霍尔器件的中心部分的每一边。该技术的优点之一是可以将环形线圈放在导体周围,而不必断开该导体的连接。

          图 62

          图 64。霍尔电流感应应用的实例(允许在固定时不断开导体的连接)



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          多圈应用

          在选择如图 63A 所示的环形线圈的缠绕圈数时,需要考虑几方面。

          霍尔开关

          保持跳变点的磁通量密度的范围在 100 至 200 G 之间。在该范围内,能为器件提供一个较窄的磁性参数分布。假如,在 10 A 时打开霍尔开关:

          N = 300 G / (6 G/A × 10 A) = 5 圈

          霍尔线性传感器

          为使输出信号/静止输出漂移比率最大化,应使磁通量密度在 100 G 以上。比率计传感器 IC 的静止输出漂移通常为 0.2 mV/°C,而灵敏度温度系数通常为 0.02%/°C。有些 Allegro 霍尔效应器件的灵敏度和/或静止输出漂移,可根据具体应用的要求定制。要查看 Allegro 线性 IC 的最新产品列表,请访问:线性位置传感器 IC

          对于需要更多圈的低电流应用,可以绕一个线轴,将其滑放在磁芯上,再通过霍尔器件用一个架状极片来完成磁电路的连接,如图 65 所示。

          图 63

          图 65。霍尔电流感应应用的实例(在低电流电路中使用线圈)



          使用这种线轴架时,能测量较低的毫安范围内的电流,或用一个霍尔开关替换继电器。在使用工作点为 200 G (±40 G) 的器件时,为使霍尔开关在 10 mA (±20%) 时激活,线轴需绕:

          N = 200 G / (6 G/A × 0.01 A) = 3333 圈

          调整气隙对最终进行更精确的校准很有用。在所有情况下,一定注意不要挤压封装

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          线性传感器 IC 的其他应用

          霍尔效应传感器 IC 主要用于感应相对较小的磁场变化,变化很小,无法使霍尔开关工作。它们通常与一个放大器进行电容耦合,该放大器将输出放大至较高水平。

          它们能用作运动检测器、轮齿传感器 IC 和接近传感器(图 66),因此是机械活动中磁驱动的应用典范。作为电灵敏的磁体监控器,它们能有效测量系统负载很小的系统性能,同时能与被污染和有电噪声的环境隔离。

          图 64

          图 66。霍尔效应器件监控机械活动的应用实例:(左图)磁北极感应铁类材料不存在,(右图)磁南极感应铁类材料存在



          每个霍尔效应集成电路都包含一个霍尔元件、线性放大器和射极跟随器输出级。和低水平模拟信号有关的问题都可由单个芯片中的霍尔元件和放大器来解决。

          规定输出无效(静止)电压为电源电压的 1.5 倍。霍尔效应传感器 IC 印记面存在的磁南极将使输出电压高于无效电压。磁北极将使输出电压低于无效电压。

          在工作中,瞬时和比例输出电压级的大小取决于器件最灵敏区的磁通量密度。利用容许的最高电源电压可获得最高灵敏度,但要付出的代价是电源电流增加和输出轻微失衡。传感器 IC 输出通常与放大器进行电容耦合,该放大器将输出放大至毫伏级以上。

          在图 67 和 68 所示的两个应用中,永久偏磁体用环氧胶固定在环氧封装的背面。封装的正面含有铁质材料,因此可充当一个磁通量集中器。

          图 65

          图 67。能检测目标存在的典型外部反向偏压电路

          图 66

          图 68。能检测目标不存在的典型外部反向偏压电路

          如果要用霍尔效应集成电路感应铁类材料的存在,需要将磁南极固定在封装的背面。如果要用霍尔效应集成电路感应铁类材料不存在,需要将磁北极固定在封装的背面。

          可使用经校准的线性霍尔器件,以在特定应用中确定传感器 IC 处存在的实际磁通量密度。

          铁类金属检测器

          图 69 和 70 显示了两种相似的检测器设计。第一个能感应铁类金属的存在;另一个能感应铁类金属不存在。仅通过改变相当于传感器 IC 的磁极,就实现了两种感应模式。在两种情况下,磁极均附于封装的无印记面。

          图 67

          图 69。能检测铁类磁体存在的典型外部反向偏压电路

          图 68

          图 70。能检测铁类磁体不存在的典型外部反向偏压电路

          改变输入去耦合电容器的数值,能轻松控制电路的频率响应特性,以获得低频断点。如果需要高频衰减,可使用一个电容使反馈电阻器转向。

          金属传感器 IC 将磁体北极附于线性传感器 IC 的背面。传感器与 2.4 mm 环氧板的底部接触。当一个 25 mm 的钢球滚过传感器时,输出会发生变化(减小)。该信号通过运算放大器放大并反向,然后驱动 NPN 三极管,使其打开。

          凹槽传感器 IC 将磁体南极固定在线性传感器 IC 的背面。传感器 IC 距离钢转子边缘 0.8 mm。转子边缘沿 1.6 mm 宽、3.2 mm 深的槽通过传感器 IC 时,将导致输出发生变化(减小)。该信号通过运算放大器放大并反向,然后驱动应用晶体管,使其打开。

          注意,在两个实例中,传感器 IC 的印记面均要面向要感应的材料(或材料空缺处)。在两种情况下,存在(或不存在)铁类金属使霍尔效应传感器 IC 处的磁通量密度发生变化,从而使输出脉冲走低。经放大器反向后,该脉冲会驱动晶体管,使其打开。

          打印机应用

          图 71 所示的组件能感应字符打印鼓上的凸角。凸角为打印鼓圆周周围 4.8 mm 以外的空间,其宽度为 6.4 mm,鼓表面的相对厚度为 0.3 - 0.4 mm。

          图 69

          图 71。打印鼓监控应用的实例

          在该应用中,霍尔效应线性传感器 IC 后部放有磁体。北极附于封装的背面。在印记面固定了一个磁通量集中器。虽然它不提供磁通量回路,但它将使磁场集中穿过霍尔开关。

          如图 72 所示,集中器的边缘与打印鼓凸角对齐,相距 0.254 mm。输出改变像显示的一样经过放大,从运算放大器形成一个 3 V 的输出,驱动晶体管使其打开,如图 73 所示。

          图 70

          图 72。打印鼓的感应应用通量集中器

          图 71

          图 73。打印鼓的典型应用电路

          在此配置中其灵敏度很高,输出信号基线很接近鼓中的轨迹偏心率。这将影响凸角的解决办法,但凸角位置认可测量。

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          使用经校准的设备

          校准后的线性传感器 IC 是一种精确易用的磁通量密度测量工具。每个设备均单独校准,并具有一个校准曲线和灵敏系数。虽然校准是在 800 G 磁场的南极和北极进行,但该传感器 IC 对测量两个磁极的磁场都很有用。

          需要使用一个精密稳压 (±10 mV) 的电源,以保持校准后磁通量密度测量的精确性。同时,环境温度必须保持在 21°C 至 25°C 范围内。

          将 VCC 针脚连接至电压 VCC,将 GND 针脚接地,将 VOUT 针脚连接至高阻抗伏特计。使用前,必须对设备加电,并使其稳定运行 1 分钟。

          使用灵敏系数能更精确地计算磁通量密度。首先,在 0 G或无磁场(静止)条件下确定设备的无效输出电压。然后,将设备放入要测量的磁通量中,在应用的磁场条件下读取设备的输出。可采用下列公式计算设备处的磁通量密度:

          B = ( VOUT(B) – VOUT(Q) ) × 1000 / S

          其中:

          VOUT(B) 是以 V 表示的应用磁场下的输出电压,
          VOUT(Q) 是以 V
          表示的无效输出电压,S 是以 mV/G 表示的灵敏系数,B 是以 G 表示的设备处磁通量密度。

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          术语表

          有效面积:封闭的集成电路芯片上的霍尔元件的位置。

          气隙:从磁极或目标表面到封装表面的距离。

          安匝 (NI):磁通势的 mks 制单位。

          安匝/米 (NI/m):磁化力的米制单位。1 安匝/米等于 79.6 奥斯特。

          双极:霍尔传感器 IC 使用磁南极和磁北极的工作方法。

          抗磁力 (Hc):必须用于使磁料中的磁通量密度降至 0 的消磁力,以奥斯特表示。

          磁通量集中器:任何用于吸引磁力线的铁质金属。

          高斯 (G):磁通量密度的 CGS 制单位。等同于 1 麦每平方厘米 (Mx/cm2)。1 高斯等于 10-4 特斯拉。

          吉伯:磁通势的 CGS 制单位。

          迎面式:霍尔传感器 IC 的运动方式。将磁极移向或挪离封装表面时,磁场将增强和减弱。

          最大能量乘积 (BHmax):磁体材料消磁曲线上 B 和 H 的最高乘积。以高斯-奥斯特 × 106 (MGOe) 计算。

          麦克斯韦 (Mx):总磁通量的 CGS 制单位。1 麦等于 10-8 韦伯。

          奥斯特 (Oe):磁化力的 CGS 制单位。等同于吉伯每厘米 (gilberts/cm)。1 奥斯特等于 125.7 安匝每米。

          平面霍尔元件:感测垂直于晶片平面或封装面的磁场的霍尔元件。

          剩余磁感应 (Bd):去除应用的磁通势后,在一个磁电路中剩余的磁感应。当磁电路中没有气隙时,剩余磁感应与残留磁感应是相同的。有气隙时,剩余磁感应臂残留磁感应要小。剩余磁感应以高斯为单位。

          残留磁感应 (Br):当足以使磁料饱和的磁化力降至 0 时,磁料的闭合磁电路中残余的磁通量密度。剩余磁感应以高斯为单位。

          侧滑式:霍尔传感器 IC 的运动方式。当一个永久磁体以横向运动通过封装表面时,磁场将增强金额减弱。

          特斯拉 (T):磁通量密度的 mks 制单位。等同于 1 韦伯每平方米 (Wb/m2)。1 特斯拉等于 104 高斯。

          环形线圈:一种环状的线圈,通常由铁、钢或铁氧体组成。

          有效总气隙 (TEAG):从磁极面到霍尔效应传感器 IC 的有效面积的距离。

          单极:霍尔传感器 IC 使用单个磁极的工作方法,通常使用磁南极。

          叶片:任何用于使磁场从霍尔传感器 IC 转向的铁质金属(至少为相关磁体的 1.5 倍宽)。

          垂直霍尔元件:感测垂直于感应边缘(顶部、右侧或左侧)的磁场的霍尔元件。

          开口:在叶片中至少为相关磁体 1.5 倍宽的开口。

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