霍尔开关应用中磁体设置和接口问题

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发布时间 2009-02-24

  一、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。

  二、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1所示,图中的TEAG即为总有效工作气隙。

霍尔开关应用中磁体设置和接口问题

图1  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。

霍尔开关应用中磁体设置和接口问题

图2  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。

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

霍尔开关应用中磁体设置和接口问题  (4)

  用图3表示简化了的霍尔开关电路,图4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。

霍尔开关应用中磁体设置和接口问题

图3   简化的霍尔开关示意图

霍尔开关应用中磁体设置和接口问题

图4   霍尔开关与电路接口举例

  与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值的估算方法,和式(4)的方法相同。若受控的电路所需的电流大于20mA,可在霍尔开关电路与被控电路间接入电流放大器。霍尔器件的开关所需的电流大于20mA,可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。

  霍尔器件的开关作用非常迅速,典型的上升时间和下降时间在400nS范围内,优于任何机械开关。

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