霍尔传感器的工作原理

霍尔传感器的工作原理
一、霍尔元件的测量电路
1、基本测量电路
霍尔元件的基本测量电路如下图所示。

激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。

▲基本测量电路
2、霍尔元件的输出电路
在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式。

如在直流激励电流情况下，上图基本测量电路为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如下图a所示。

在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成下图b所示的形式，以增加霍尔电压或输出功率。

▲霍尔元件的输出电路
a）直流激励b）交流激励
二、霍尔元件补偿
1、霍尔元件不等位电动势及其补偿
不等位电动势是一个主要的零位误差。

由于在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如下图所示。

▲不等位电动势示意图
因此当控制电流I流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电动势存在，该电动势就称为不等位电动势。

在分析不等上图不等位电动势示意图位电动势时，把霍尔元件等效为一个电桥，如下图所示。

▲霍尔元件的等效电路
电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。

当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，这时输出电压U o等于零。

当霍尔电极不在同一等位面上时，因r3增大，r4减小，则电桥失去平衡，因此输出电压U o就不等于零。

恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。

在
制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电动势。

不等位电动势与霍尔电动势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电动势，而实用中要消除不等位电动势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。

分析不等位电动势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电动势。

几种补偿线路如下图所示。

图a、图b所示为常见的补偿电路，图b、图c相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图d用于交流供电的情况。

▲不等位电动势的几种补偿线路
2、霍尔元件温度补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。

当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。

为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由U H=K H IB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电动势稳定。

但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。

霍尔元件的灵敏系数K H也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电动势的变化。

霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成K H=K H0（1+αΔT）
式中K H0———温度T0时的K H值；
ΔT=T-T0———温度变化量；
α———霍尔电动势温度系数。

大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电动势随温度升高而增加αΔT倍。

但如果同时让激励电流I s相应地减小，并能保持K H·I s乘积不变，也就抵消了灵敏系数K H增加的影响。

下图所示就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。

▲恒流温度补偿电路
电路中I s为恒流源，分流电阻R p与霍尔元件的激励电极相并联。

当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻R p自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流I H，从而达到补偿的目的。

在上图所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为R i0，灵敏系数为K H0，分流电阻为R p0，根据分流概念得
当温度升至T时，电路中各参数变为
R i=R i0（1+δΔT）
R p=R p0（1+βΔT）
式中
δ———霍尔元件输入电阻温度系数；
β———分流电阻温度系数。

虽然温度升高了ΔT，为使霍尔电动势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电动势不变，即U H0=U H，则
K H0IH0B=K H I H B
K H0I H0=K H I H
将上式经整理并略去αβ（ΔT）2高次项后得
当霍尔元件选定后，它的输入电阻R i0和温度系数δ及霍尔电动势温度系数α是确定值。

由式即可计算出分流电阻R p0及所需的温度系数β值。

为了满足R p0及β两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样效果很好。