自动检测技术及应用第八章

开关型霍尔集成电路 的外形及内部电路
Vcc
霍尔 元件
来自百度文库
施密特 触发电路
OC门
.
双端输入、 单端输出运放
开关型霍尔集成电路 （OC门输出）的接线
请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.
开关型霍尔集成电路 与继电器的接线
?
开关型霍尔集成电路的史密特输出特性
回差越 大，抗振动 干扰能力就 越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少 特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离 霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回 差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？
叉形钳形表 漏磁稍大， 但使用方便
用钳形表测量 电动机的相电流
霍尔式电流 谐波分析仪
被测电流的 谐波频谱 铁心的 杠杆压舌
铁心的 开合缝隙
霍尔电流传感器的技术指标
某型号霍尔电流传感器技术指标
额定输入电流：300A 额定输出电：4±1% V 电源电压： ±15±5% V 失调电压： 25 mV 失调电压漂移：≤±1mV/℃ 线性度： ≤1%FS 响应时间：≤7μS 绝缘电压：50HZ，1min，2.5 KV 工作温度：-10～+70 ℃
用霍尔IC只能用于铁 磁材料的检测，并且还需要 建立一个较强的闭合磁场。
霍尔式接近开关用于 f 转速测量演示 n= 60
4
(r/min)
T
软铁分流翼片
开关型霍尔IC
将被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔。 当有电流通过导线 时，在导线周围将 产生磁场，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压。
第八章
霍尔传感器
本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的 特性及其在检测技术中的应 用，还涉及交直流电流传感器 以及安全栅。
霍尔元件是 一种四端元件
第一节
霍尔元件的结构及工作原理
半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中， 磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在 垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这 种现象称为霍尔效应。 d a c b
匝数比：1：2000
闭环霍尔电流传感器的原理电路
霍尔电流传感器的技术指标与计算
“匝数比” ：
N P IS NS I P
NP被定义为“一次测线圈”的匝数， 一般取NP=1； NS为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”
霍尔电流传感器的计算
设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比 NP/NS=1/2000，标准额定电流值IPN=300A，二 次侧的负载电阻RS=30Ω。通电后，用电流表 测得二次侧电流IS=0.1A，求输出到弱电回路的 电压US和被测电流IP。
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线 成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁 感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos，这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦成 正比：
EH=KHIBcos
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示
d
a c
b
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。 当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率 的交变电势。
解：1）US=RS×IS=4.5V 2）根据匝数比公式被测电流IP为：
NS IP I S 2000 0.1 A 200 A NP
本安型仪表
本安型仪表无论在正常状态下和故障状态下，仪 表电路以及系统产生的过流和所达到的温度都不会引 燃爆炸性混合物。 本安型仪表的防爆功能主要由以下措施来实现： ①采用新型集成电路等组成仪表电路，在较低的工作 电压和较小的工作电流下工作；②用“齐纳安全栅”把 危险场所和安全场所的电路分隔开来，限制由安全场 所传递到危险场所去的能量；③仪表的连接导线不得 形成过大的分布电感和分布电容，以减少电路的储 能。
第三节 霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函 数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不 变，将第三个量作为变量，或者固定其中一 个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔 传感器有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为 磁场变化的其他物理量。
霍尔特斯拉计（高斯计）
齐纳安全栅（简称安全栅）
2015/12/6 Sunday
小型安全栅
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安全栅电路
安全栅的安装和使用
1. “一次仪表”安装在危险区（称为“本安 侧”），电缆接到安全栅右端接线端子3、4； 2. “二次仪表”安装在安全区（称为“非本安 侧”），电缆接到安全栅的左端接线端子1、2。 3. 安全栅被设置在安全区一侧，在正常情 况下不影响测量系统的功能。 4.安全栅必须可靠接地。
电动自行车的无刷电动机及控制电路
利用 PWM 调速
去速度 控制器
光驱用的无刷电动机内部结构
霍尔式接近开关
当磁铁的有效磁极接 近、并达到动作距离时， 霍尔式接近开关动作。霍 尔接近开关一般还配一块 钕铁硼磁铁。
霍尔式接近开关
当磁铁随运 动部件移动到距 霍尔接近开关几 毫米时，霍尔IC 的输出由高电平 变为低电平，使 继电器吸合或释 放，控制运动部 件停止移动（否 则将撞坏霍尔 IC），起限位的 作用。
出去活动一下
磁感应强度B为零时的情况
磁感应强度B 较大时的情况
作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势 也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB
霍尔效应演示
a
d
c
b
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧（d侧）偏移，在半导体薄片c、d方 向的端面之间建立起霍尔电势。
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
安全栅的组成和保护原理
（1）电流限制回路 它能在本安侧对地短路或元 器件损坏等故障情况下，把输出电流限制在安全数值 之内。 （2）电压限制回路 它由齐纳二极管组成。当非 本安侧电压超过齐纳二极管额定工作电压或串入干扰 高电压时，齐纳二极管被击穿而导通，使快速熔断器 熔断，起限制电压作用。 （3）快速熔断器 可更换的快速熔断器用来保护 齐纳管不被烧毁，因此要求快速熔断器的熔断时间快 于齐纳二极管的过热时间。
霍尔元件
霍尔高斯计（特斯拉计）的使用
霍尔元件
磁铁
霍尔传感器用于测量磁场强度
测量铁心 气隙的B值
霍尔元件
霍尔转速表
在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机 械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统 靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而 周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔 f 直、放大、整形后可以确定被测物的转速。
霍尔转速表的其他安装方法
霍尔元件
磁铁
只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电 势的变化，产生转速信号。
霍尔式无触点汽车电子点火装置 汽车点火线圈
高压输出 接头 12V低压电源 输入接头
采用霍尔式无 触点电子点火装置能 较好地克服汽车合金 触点点火时间不准 确、触点易烧坏、高 速时动力不足等缺 点。
无刷电动机在电动自行车上的应用
电动自行车
无刷电动机
可充电 电池组
无刷电动机在电动 自行车上的应用
无刷直流电动机 的外转子采用高性能 钕铁硼稀土永磁材 料；三个霍尔位置传 感器产生六个状态编 码信号，控制逆变桥 各功率管通断，使三 相内定子线圈与外转 子之间产生连续转 矩。具有效率高、无 火花、可靠性强等特 点。
汽车电子点火装置使用的点火控制器、 霍尔传感器及点火总成
磁铁 点火总成
霍尔式无刷电动机
霍尔式无刷电动机取消 了换向器和电刷，而采用霍尔 元件来检测转子和定子之间的 相对位置，其输出信号控制电 普通直流电动机使 枢电流的换向，维持电动机的 用的电刷和换向器 正常运转。 由于无刷电动机不产生 电火花及电刷磨损等问题，所 以它在录像机、CD唱机、光 驱等家用电器中得到越来越广 泛的应用。
霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理
桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图
a）带缺口的触发器叶片 电路之间的安装关系 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成 c）叶片位置与点火正时的关系
1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）
霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）
霍尔电流传感器
所实现的多媒体界面：
霍尔电流传感器演示
铁心
线性霍尔IC
EH=KI I
其他霍尔 电流传感器
其他霍尔电流 传感器（续）
霍尔钳形电流表（交直流两用）
豁口
压舌
霍尔钳形电流表演示
被测电流的 70.9A 导线未放入 铁心时示值 为零
直流200A量程
霍尔钳形 霍尔钳形 电流表演示 电流表演示
以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 8μA 0.8mA 8mA 80mA
第二节 霍尔集成电路
霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如UGN3501等。
线性型三端 霍尔集成电路
线性型霍尔特性
右图示出了具有双 端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲 线。当磁场为零时，它 的输出电压等于零；当 感受的磁场为正向（磁 钢的S极对准霍尔器件 的正面）时， 输出为 正；磁场反向时，输出 为负。
请画出线性范围
开关型霍尔集成电路
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片 上。当外加磁场强度超过规定的工作点时， OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电 平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重 新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关 型霍尔器件如UGN3020等。
n 60
22
线性霍尔
S
N
磁铁
霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔 元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后 输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件 时，输出为低电平。
霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 （ABS）中的应用
带有微 型磁铁 的霍尔 传感器
钢质
霍尔
若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。 用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有 助于控制刹车力的大小和防止侧偏。
汽车电子点火电路及波形
a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形
1—点火开关 2—达林顿晶体管功率开关 3—点火线圈低压侧 4—点火线圈铁心 5—点火线圈高压侧 6—分火头 7—火花塞
霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）
当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔 IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通 状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以 磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输 出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿 管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没 有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁 场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。
70.9A
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
霍尔钳形电流表的使用
被测电流的导线从此处穿入钳 形表的环形铁心 手指按下此处，将钳形表的 铁心张开 将被测电流导线逐根夹 到钳形表的环形铁心中
将空调电源的“三芯护套线” 夹到钳形表的环形铁心中，钳形 表的示值为多少？为什么？
霍尔钳形电流表的使用（续）
霍尔元件的主要外特性参数
最大磁感应强度BM
线性区
上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯 至正的多少高斯？（1T＝104Gs）
霍尔元件的主要外特性参数（续）
最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故 在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励 电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度 升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每 种型号的元件均规定了相应的最大激励电流， 它的数值从几毫安至十几毫安。