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Allegro MicroSystems 公司將最先進(jìn)的集成電路技術(shù)和具有百年歷史的霍爾效應(yīng)融為一體，用以生產(chǎn)全新的霍爾效應(yīng) IC。這些無觸點(diǎn)的磁觸發(fā)開關(guān)與傳感器 IC 不僅能簡化電氣和機(jī)械系統(tǒng)，還能提高系統(tǒng)的性能。

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• 低成本簡化開關(guān)

• 高效、精確、低成本的線性傳感器 IC

• 適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路

• 應(yīng)用

• 霍爾效應(yīng)：工作原理？

• 線性輸出霍爾效應(yīng)器件

• 數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)

• 工作狀態(tài)

• 特性與公差

• 入門指南

• 分析

• 有效總氣隙 (TEAG)

• 工作模式

• 大斜率與高磁通量密度

• 葉片斷續(xù)器開關(guān)

• 數(shù)字霍爾效應(yīng)器件的電氣接口

• 普通接口電路

• 霍爾開關(guān)的旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器

• 霍爾開關(guān)應(yīng)用的環(huán)形磁體

• 雙極霍爾數(shù)字開關(guān)

• 數(shù)字鎖存

• 環(huán)形磁體的詳細(xì)分析

• 溫度影響

• 一種成本低廉的選擇

• 環(huán)形磁體選擇

• 鐵葉片旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器

• 工作中的鐵葉片

• 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

• 材料

• 葉片寬度/開口寬度、轉(zhuǎn)子尺寸

• 較陡的磁性曲線斜率確保可靠的開關(guān)

• 小氣隙形成大斜率

• 磁通量集中器的投入回報(bào)

• 工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性

• 計(jì)算靜止角和工作周期變化

• 軸承磨損的影響

• 固定裝置好壞也會(huì)影響穩(wěn)定性

• 優(yōu)化舉措

• 單獨(dú)校準(zhǔn)技術(shù)

• 工作模式：迎面與側(cè)滑

• 工作模式優(yōu)化：復(fù)合磁體

• 磁偏操作

• 通過改善電路來增加磁通量密度

• 通量集中器

• 饋通

• 磁體選擇

• 高級(jí)應(yīng)用

• 限流與測(cè)流傳感器 IC

• 多圈應(yīng)用

• 線性傳感器 IC 的其他應(yīng)用

• 使用經(jīng)校準(zhǔn)的設(shè)備

• 術(shù)語表

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低成本簡化開關(guān)

簡化開關(guān)是霍爾傳感器 IC 的強(qiáng)項(xiàng)。霍爾效應(yīng) IC 開關(guān)在單個(gè)集成電路芯片中融合了霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)電路和晶體管輸出電路。其輸出干凈、迅速且不會(huì)發(fā)生開關(guān)跳躍（機(jī)械接觸開關(guān)的固有問題）。霍爾開關(guān)通常以最高 100 kHz 的重復(fù)頻率工作，而且比普通的電動(dòng)機(jī)械開關(guān)的成本要少很多。

高效、精確、低成本的線性傳感器 IC

線性霍爾效應(yīng)傳感器采用磁偏探測(cè)電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度中的運(yùn)動(dòng)、位置或變化。能耗極低。輸出是線性的，而且溫度穩(wěn)定。傳感器 IC 的頻率響應(yīng)平直，最高約為 25 kHz。

與電感或光電子傳感器相比，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 更高效、更精確，成本也更低。

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適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 能有效抵御環(huán)境中的有害物質(zhì)，所以適用于在環(huán)境惡劣的條件下工作。這種電路非常靈敏，并能在緊公差應(yīng)用中提供可靠、重復(fù)的操作。這種霍爾效應(yīng)傳感器 IC 能夠在灰塵和黑暗中精確感應(yīng)。

應(yīng)用

霍爾效應(yīng) IC 目前可用于點(diǎn)火系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、測(cè)微計(jì)、機(jī)械極限開關(guān)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤、機(jī)床、鑰匙開關(guān)和按鈕開關(guān)。它們還能用于轉(zhuǎn)速計(jì)取樣、限流開關(guān)、位置檢測(cè)器、選擇器開關(guān)、電流傳感器 IC、線性電位計(jì)和無刷直流電機(jī)整流器。

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霍爾效應(yīng)：工作原理？

基本霍爾元件是一小片半導(dǎo)體材料，也稱霍爾元件或有效面積，如圖 1 所示。

圖 1.霍爾效應(yīng)器件的有效面積原理圖，其中霍爾元件由標(biāo)有 X 的組件表示。

圖 2 所示的恒壓電源產(chǎn)生的恒定偏置電流，即 I_BIAS，會(huì)在半導(dǎo)體片材內(nèi)流動(dòng)。輸出電壓 V_HALL 可沿片材的寬度方向測(cè)量。在無磁場(chǎng)的情況下，V_HALL 的數(shù)值可以忽略。

圖 2.無磁場(chǎng)時(shí)的 V_HALL

如果將偏壓霍爾元件放在通量線與偏置電流垂直（參閱圖 3）的磁場(chǎng)中，電壓輸出的變化會(huì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這就是在霍爾 (E. F. Hall) 于 1879 年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)。

圖 3.與偏置電流垂直的磁通量（綠色箭頭）產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)（感應(yīng) V_HALL）。

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線性輸出霍爾效應(yīng)器件

基本霍爾元件的輸出電壓很小。這會(huì)產(chǎn)生問題，特別是在電氣噪聲環(huán)境中。在電路中添加一個(gè)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì) DC 放大器和電壓調(diào)整器（參閱圖 4 和 圖 5）不僅能有效改善傳感器輸出，還能允許霍爾效應(yīng)器件在更廣的電壓范圍內(nèi)工作。改造后的器件能提供易于使用的模擬輸出，這種線性輸出與應(yīng)用的磁通量密度成比例。

圖 4.帶 V_{HALL 放大的霍爾電路}

圖 5.具有電壓調(diào)整器和 DC 放大器的霍爾效應(yīng)器件

要了解 Allegro 的線性輸出器件的最新產(chǎn)品名錄，請(qǐng)?jiān)L問：線性位置傳感器 IC。

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數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)

增加內(nèi)置磁滯的施密特觸發(fā)閾值檢測(cè)器，如圖 6 所示，能使霍爾效應(yīng)電路具備數(shù)字輸出功能。當(dāng)施加的磁通量密度超過一定限制時(shí)，觸發(fā)器會(huì)準(zhǔn)確地將關(guān)閉狀態(tài)切換成開啟狀態(tài)，而不必出現(xiàn)觸點(diǎn)顫動(dòng)。內(nèi)置磁滯會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁盲區(qū)，在經(jīng)過閾值后，該區(qū)域中的開關(guān)動(dòng)作會(huì)禁用，從而能消除振蕩（亂真輸出開關(guān)）。

圖 6.具有數(shù)字輸出功能的霍爾電路

為電路增加集電極開路 NPN 或 N 溝道場(chǎng)效應(yīng) (NFET) 晶體管（參閱圖 7），能使開關(guān)具備數(shù)字邏輯兼容功能。場(chǎng)效應(yīng)管是一種飽和開關(guān)，它會(huì)在施加的磁通量密度大于器件開啟跳變點(diǎn)的地方，對(duì)輸出終端進(jìn)行接地短路。開關(guān)能兼容所有數(shù)字產(chǎn)品系列。輸出晶體管能吸收足夠的電流，以直接驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載，包括繼電器、三端雙向晶閘管、可控硅整流器 (SCR) 和燈具。

圖 7.霍爾開關(guān)的常用電路元件

圖 7 所示的電路元件焊裝在單晶硅片上，并在小型環(huán)氧或陶瓷封裝內(nèi)密封壓制，它們是所有霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的常用電路元件。霍爾效應(yīng)器件類型之間的區(qū)別主要是規(guī)格的差異，如磁力性參數(shù)、工作溫度范圍和溫度系數(shù)。

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工作狀態(tài)

所有霍爾效應(yīng)器件均由磁場(chǎng)激活。必須為器件安裝底座并提供電氣連接。包括加載電流、環(huán)境條件和電源電壓必須在數(shù)據(jù)表所示的極限范圍內(nèi)。

磁場(chǎng)有兩個(gè)重要特性：磁通量密度 B（主要指磁場(chǎng)強(qiáng)度）和磁場(chǎng)極性（磁北極或磁南極）。對(duì)霍爾效應(yīng)器件而言，與其有源區(qū)相關(guān)的磁場(chǎng)方向也很重要。霍爾效應(yīng)器件的有效面積（霍爾元件）埋置在硅片上，該硅片與封裝包的一個(gè)特定面平行并略靠近其內(nèi)部。該表面也被稱為標(biāo)記面，因?yàn)樗ǔＪ菢?biāo)記型號(hào)的一面（每個(gè)器件的數(shù)據(jù)表都會(huì)顯示距離印記面的有效面積深度）。為使開關(guān)以最佳狀態(tài)工作，必須保證磁通量線以垂直方式橫越印記面（并通過有效面積），而且必須在橫越時(shí)具有正確的極性。因?yàn)橛行娣e更靠近封裝包背部的印記面，并暴露在硅片的印記面一側(cè)，所以采用這種朝向能產(chǎn)生更清晰的信號(hào)。

在無磁場(chǎng)的情況下，大多數(shù)霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)都會(huì)關(guān)閉（輸出開路）。只有存在有足夠磁通量密度的磁場(chǎng)，并且沿正確的方向具有正確的極性時(shí)，這些開關(guān)才會(huì)開啟。例如，磁南極靠近印記面會(huì)執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，而磁北極不會(huì)產(chǎn)生任何影響。在常規(guī)應(yīng)用中，將一小塊永久磁體的磁南極靠近霍爾開關(guān)的印記面（參閱圖 8）會(huì)使輸出晶體管開啟。

圖 8.磁體相對(duì)于器件有效面積的平面和中心線的運(yùn)動(dòng)，使霍爾效應(yīng)器件開始工作

可使用轉(zhuǎn)移特性曲線，以圖表形式闡釋該原理。圖 9 和圖 10 顯示了隨霍爾元件中存在的磁通量密度 B（單位：高斯 (G)；1 G = 0.1 mT）變化的輸出電壓。橫軸顯示的是磁通量密度。縱軸顯示的是霍爾開關(guān)的數(shù)字輸出。注意，此處應(yīng)用了代數(shù)符號(hào)約定，即增加的正值 B 表示增強(qiáng)的南極磁場(chǎng)，增加的負(fù)值 B 表示增強(qiáng)的北極磁場(chǎng)。例如，+200 B 磁場(chǎng)和 –200 B 磁場(chǎng)的強(qiáng)度相同，但具有相反的極性（分別是磁南極與磁北極）。

如圖 9 所示，在無磁場(chǎng) (0 G) 的情況下，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，輸出電壓等于電源電壓 (12 V)。然后使永久磁體的磁南極沿垂直方向靠近器件的有效面積。當(dāng)磁南極靠近開關(guān)的印記面時(shí)，霍爾元件會(huì)暴露在逐漸增強(qiáng)的正磁通量密度下。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)（本例中為 240 G）時(shí)，輸出晶體管會(huì)啟動(dòng)，輸出電壓達(dá)到 0 V。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 工作點(diǎn)，B_OP。如果繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，如達(dá)到 600 G 時(shí)，不會(huì)有任何變化。開關(guān)已經(jīng)打開，并會(huì)一直保持開啟。

圖 9.逐漸靠近的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷增大，從而激活了霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（開啟）

由于內(nèi)置磁滯的作用，因此要關(guān)閉開關(guān)，必須使磁通量密度的數(shù)值遠(yuǎn)低于 240 G 工作點(diǎn)（此類圖表有時(shí)被稱為磁滯圖表）。在本例中，我們使用 90 G 磁滯，也就是說，當(dāng)磁通量密度減小到 150 G（圖 10）時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 釋放點(diǎn)，B_RP。

圖 10.逐漸遠(yuǎn)離的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷減小，從而停用霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（關(guān)閉）

為從該圖中獲取數(shù)據(jù)，需要增加一個(gè)電源和負(fù)載電阻，以限制通過輸出晶體管的電流，并使輸出電壓的數(shù)值接近 0 V（參閱圖 11）。

圖 11.轉(zhuǎn)移特性圖表的測(cè)試電路

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特性與公差

啟動(dòng)和關(guān)閉霍爾開關(guān)所需的準(zhǔn)確磁通量密度值會(huì)因多種因素的影響而不同，其中包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造公差。極端溫度條件也會(huì)對(duì)工作狀態(tài)和釋放點(diǎn)產(chǎn)生一定程度的影響，它們也被稱為開關(guān)閾值或 開關(guān)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)表提供了與每種器件類型的工作點(diǎn)、釋放點(diǎn)數(shù)值和磁滯相對(duì)應(yīng)的最壞情況下的磁特性。

必須保證達(dá)到或低于最大工作點(diǎn)磁通量密度時(shí)，所有開關(guān)都會(huì)開啟。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，所有器件都會(huì)在磁通量密度降至最小釋放點(diǎn)數(shù)值以下前關(guān)閉。必須保證每種器件都保留最少量的磁滯，以確保開關(guān)動(dòng)作清楚準(zhǔn)確。這種磁滯能確保開關(guān)輸出迅速、準(zhǔn)確，而且只會(huì)在每次閾交時(shí)進(jìn)行，即使在機(jī)械振動(dòng)或電氣噪聲環(huán)境下也是如此。

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入門指南

由于電氣接口通常能直接說明問題，所以霍爾效應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)從物理方面開始。在位置感應(yīng)或運(yùn)動(dòng)感應(yīng)應(yīng)用中，應(yīng)回答下列問題：

• 有多少種什么類型的運(yùn)動(dòng)？

• 需要什么樣的角精度和位置精度？

• 固定感應(yīng)設(shè)備和觸發(fā)磁體的空間有多大？

• 移動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)范圍是多少？

• 在設(shè)備的有效使用期內(nèi)，預(yù)計(jì)出現(xiàn)的機(jī)械磨損程度？

• 產(chǎn)品將會(huì)是批量生產(chǎn)的組件，還是能單獨(dú)調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)的限量設(shè)備？

• 預(yù)計(jì)的溫度極限是多少？

仔細(xì)分析一定會(huì)讓您受益匪淺。

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分析

要對(duì)磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行研究。磁場(chǎng)的強(qiáng)度在極面上應(yīng)該是最強(qiáng)的，而且將隨著與磁體之間距離的增大而減弱。利用高斯計(jì)或校準(zhǔn)的線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也是沿設(shè)計(jì)的磁體運(yùn)動(dòng)直線距離的函數(shù)。霍爾效應(yīng)器件的規(guī)格（以 mV/G 表示的靈敏度適用于線性器件，以 G 表示的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)適用于數(shù)字器件）可用于確定一種磁體和運(yùn)動(dòng)類型的關(guān)鍵距離。請(qǐng)注意，這些磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不是線性的，而且磁通量密度曲線的形狀很大程度上取決于磁體形狀、磁電路和磁體的運(yùn)動(dòng)路徑。

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有效總氣隙 (TEAG)

有效總氣隙 (TEAG) 是有效面積深度（AAD，即器件印記面下方的霍爾元件的深度）與氣隙（AG，即封裝印記面與磁體或目標(biāo)表面之間的距離）之和。氣隙 (AG) 是一種越小越好的機(jī)械間隙，它應(yīng)符合磁體的尺寸公差、軸承公差、軸承磨損，以及對(duì)霍爾開關(guān)安裝支架的溫度影響。圖 12A 是隨 TEAG 變化的磁通量密度的曲線圖，它說明在傳感器處封裝較薄（Allegro UA 封裝的有效面積深度約為 0.50 mm）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁通量密度明顯增加。其實(shí)際增量主要取決于特定磁體的磁通量密度的磁性曲線斜率。注意，圖表還顯示了其他物理因素對(duì)磁通量密度的影響，如器件自身的封裝厚度，以及應(yīng)用的傳感器組件的重疊注塑或防護(hù)涂層。

圖 12A有效總氣隙、有效面積深度的定義，以及封裝本身對(duì)磁信號(hào)強(qiáng)度影響的示例（參閱圖 25，了解用于該數(shù)據(jù)的磁體規(guī)格）

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工作模式

即使是簡單的條形或棒狀磁體，也會(huì)有多種可能的移動(dòng)路徑。磁極可沿垂直方向向霍爾器件的印記面移動(dòng)。這被稱為迎面工作模式。圖 12B 中的曲線顯示了隨圓柱形磁體的 TEAG 變化的典型磁通量密度（單位：高斯）。

圖 12B迎面工作模式實(shí)例

迎面工作模式很簡單，效果也很好，而且不易受到側(cè)向運(yùn)動(dòng)的影響。設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，如果發(fā)生碰撞，過度的機(jī)械拉伸可能對(duì)霍爾器件的環(huán)氧封裝造成物理損壞。

第二種配置是使磁體平行于印記面，沿霍爾器件左右移動(dòng)。這就是側(cè)滑工作模式，如圖 13 所示。注意，當(dāng)前繪制的距離不是有效總氣隙，而是從磁體中心線到有效面積中心線的垂直距離。指定氣隙是因?yàn)樗忻黠@的機(jī)械重要性，但需要牢記的是，在進(jìn)行與磁通量密度有關(guān)的計(jì)算時(shí)，必須像以前一樣，在使用的 TEAG 中加入封裝厚度。側(cè)滑工作模式通常在可能產(chǎn)生過度機(jī)械拉伸時(shí)避免接觸。與迎面工作模式相比，在精心設(shè)計(jì)的側(cè)滑磁路中使用強(qiáng)磁體和/或鐵質(zhì)通量集中器不僅能提高傳感精度，還能縮短磁體的運(yùn)動(dòng)距離。

圖 13.側(cè)滑工作模式的實(shí)例，它顯示了磁體中心線與有效面積中心線之間的位移變化產(chǎn)生的影響

磁體制造商通常會(huì)提供其生產(chǎn)的磁體迎面工作模式下的磁通量密度曲線，但他們通常不會(huì)描述側(cè)滑工作模式的特性，這可能因?yàn)闅庀哆x擇不同，從而會(huì)導(dǎo)致這些曲線數(shù)量的不確定。然而一旦選定了一個(gè)氣隙，那么使用已有的迎面式磁體曲線，通過在有效總氣隙上標(biāo)注數(shù)值，就能找到側(cè)滑工作模式的磁通量密度的峰值（單個(gè)點(diǎn)）

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大斜率與高磁通量密度

對(duì)線性霍爾效應(yīng)器件而言，其在既定位移中的磁通量變化越大，輸出就越大；這是一種顯而易見的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字霍爾效應(yīng)器件應(yīng)具有同樣的特性，但具體原因可能更微秒。要在既定的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)一致的開關(guān)動(dòng)作，必須在與磁體相關(guān)的同一位置開啟和關(guān)閉霍爾效應(yīng)器件。

為闡釋該原理，我們以圖 14 所示的兩種不同磁體外形的磁通量密度曲線為例。當(dāng)工作點(diǎn)的磁通量密度是 200 G 時(shí)，在兩種情況下，只有距離達(dá)到約 3.6 mm，數(shù)字霍爾效應(yīng)器件才會(huì)開啟。如果制造公差或溫度影響使工作點(diǎn)變?yōu)?300 G，曲線 A（大斜率）中開關(guān)動(dòng)作開始時(shí)的距離變化不大。但在曲線 B 中，距離變化非常顯著。釋放點(diǎn)（未顯示）也會(huì)受到同樣的影響。可以對(duì)本例中說明的基本原理進(jìn)行修改，使其包括機(jī)械器件和設(shè)備規(guī)格公差，這些原理也可用于最壞情況的設(shè)計(jì)分析。此過程的實(shí)例將在后面部分闡釋。

圖 14.側(cè)滑工作模式的實(shí)例，兩種不同的有效總氣隙的影響對(duì)比

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葉片斷續(xù)器開關(guān)

在該工作模式中，觸發(fā)磁體與霍爾效應(yīng)器件固定在單獨(dú)的剛性組件上，兩者之間保留很小的氣隙。在該位置中，觸發(fā)磁體會(huì)使霍爾效應(yīng)器件一直保持開啟狀態(tài)。如果在磁體和霍爾效應(yīng)器件之間放一個(gè)鐵磁板或葉片（如圖 15 所示），葉片就會(huì)形成一個(gè)磁分路，導(dǎo)致磁場(chǎng)能量從霍爾器件上轉(zhuǎn)向。

圖 15.葉片斷續(xù)器的工作實(shí)例：（左圖）無葉片中斷的正常磁通路徑，（右圖）葉片使磁通量轉(zhuǎn)向

采用可移動(dòng)的葉片是開關(guān)霍爾器件的可行方法。霍爾器件與磁體能模壓成一個(gè)元件，這樣就能消除對(duì)準(zhǔn)的問題，從而可產(chǎn)生極其穩(wěn)定和可靠的開關(guān)組件。中斷磁通量的鐵葉片或葉片能像在汽車分電器內(nèi)一樣，進(jìn)行線性移動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于能磁通量密度的大斜率/距離曲線，所以鐵葉片組件經(jīng)常用于在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確開關(guān)的操作。

鐵葉片能做成多種外形，如圖 16 所示。采用與圖 16B 類似的線性葉片能在 125°C 的溫度范圍內(nèi)，重復(fù)感應(yīng) 0.05 mm 以內(nèi)的位置。

圖 16.葉片斷續(xù)器的典型配置：(A) 碟式葉片 (B) 線性葉片和 (C) 杯式葉片

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數(shù)字霍爾效應(yīng)器件的電氣接口

數(shù)字霍爾開關(guān)的輸出級(jí)是一個(gè)簡單的開極 NPN 三極管（參閱圖 17）。其使用規(guī)則與其他所有類似的開關(guān)三極管一樣。

當(dāng)三極管關(guān)閉時(shí)，其具有很小的輸出漏流（一般只有幾毫微安），通常可以忽略不計(jì)，而且不得超過最大（擊穿電壓）輸出電壓（通常為 24 V）。

當(dāng)三極管打開時(shí)，輸出短路至常見電路中。流過開關(guān)的電流必須經(jīng)過外部限流，使其低于最大電流值（通常為 20 mA），以防止開關(guān)損壞。通過開關(guān)的壓降 V_CE(sat)) 將會(huì)增加，從而獲得較高的輸出電流值。必須確認(rèn)該電壓與您要控制的電路的關(guān)閉或“邏輯低”電壓相一致。

霍爾效應(yīng)器件的開關(guān)非常快，其上升和下降時(shí)間通常在 400 毫微秒范圍內(nèi)。這是少有的顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殚_關(guān)時(shí)間幾乎全部由反應(yīng)更慢的機(jī)械部件控制。

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普通接口電路

圖 17 顯示了霍爾數(shù)字開關(guān)的簡化圖解符號(hào)。它能使后面的詳細(xì)說明更易于理解。

圖 17.具有集電極開路輸出級(jí)的霍爾效應(yīng)器件（簡化的霍爾電路圖示可在下文的圖中使用）

數(shù)字邏輯集成電路的接口通常只需要一個(gè)適用的電源和負(fù)載電阻。

采用消耗電流的邏輯系列電路時(shí)，如 DTL 或流行的 7400 TTL 系列（圖18 A），霍爾開關(guān)在開啟時(shí)，只須消耗常見電路一個(gè)單位負(fù)載的電流（TTL 最大為 1.6 mA）。如果采用 CMOS 門電路（圖 18B），除開關(guān)瞬態(tài)外，只有負(fù)載電阻上有電流通過（此例中約為 0.2 mA）。

圖 18ATTL 邏輯接口

圖 18BCMOS 邏輯接口

需要消耗的電流最多為 20 mA 的負(fù)載能直接由霍爾開關(guān)驅(qū)動(dòng)。

發(fā)光二極管 (LED) 指示燈是一個(gè)很好的例子，它只需要一個(gè)電阻將電流限定為一個(gè)合適的值。如果在電流為 20 mA 時(shí)，LED 的電壓下降 1.4 V，可采用下列公式計(jì)算一個(gè) 12 V 電源需要使用的電阻：

(12 V - 1.4 V) / 0.02 A = 530Ω

最近似的標(biāo)準(zhǔn)值是 560 Ω，從而形成了圖 19 所示的電路。

圖 19.能被直接驅(qū)動(dòng)的微小 (≤20 mA) 消耗電流負(fù)載的實(shí)例

消耗 20 mA 以上的電流需要使用電流放大器。例如，如果需要 4 A 開關(guān)特定負(fù)載，而且必須在觸發(fā)磁體靠近時(shí)開啟，可使用圖 20 所示的電路。

圖 20.驅(qū)動(dòng)中等 (>20 mA) 消耗電流負(fù)載的實(shí)例

當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉（磁通量不足以使其工作）時(shí)，約 12 mA 的基極電流會(huì)通過 1 kΩ電阻流向 Q1 三極管，從而使其飽和，并將 Q2 的基極電流短接至地，以使負(fù)載保持關(guān)閉。當(dāng)磁體靠近霍爾開關(guān)時(shí)，它會(huì)開啟，并對(duì) Q1 的基極電流短接至地，并將其關(guān)閉。這允許：

12 V / 56 Ω = 210 mA

的基極電流流向 Q2，該電流足以在負(fù)載電流為 4 A 或更小時(shí)使其飽和。

通過配置外部三極管，霍爾開關(guān)能為其“開啟”或“關(guān)閉”狀態(tài)提供負(fù)載電流。例如，圖 21 顯示了使用繼電器開啟 115 或 230 VAC 負(fù)載時(shí)，在“開啟”狀態(tài)提供電流的實(shí)例。

具有 12 V 線圈的典型繼電器需要 40 與 60 mA 之間（取決于具體繼電器）的電流驅(qū)動(dòng)，以在“開啟”狀態(tài)觸發(fā)，此時(shí)高壓觸點(diǎn)會(huì)關(guān)閉。要完成此操作，可采用大小合適的 PNP 晶體管，如圖 21 所示。

圖 21.在霍爾效應(yīng)器件的“關(guān)閉”狀態(tài)提供電流的繼電器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

當(dāng)霍爾開關(guān)開啟時(shí)，9 mA 的基極電流會(huì)從 PNP 晶體管的基極流出，從而能使其飽和，并允許其驅(qū)動(dòng)足夠的電流以觸發(fā)繼電器。當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉時(shí)，不會(huì)有基極電流從 PNP 三極管流出，所以三極管會(huì)關(guān)閉，并防止線圈電流通過繼電器。4.7 kΩ電阻可在 PNP 的基極充當(dāng)負(fù)載電阻，以在霍爾開關(guān)禁用時(shí)，使其保持關(guān)閉狀態(tài)。沿繼電器線圈放有一個(gè)續(xù)流二極管，以防止因 PNP 突然關(guān)閉導(dǎo)致 PNP 集電極出現(xiàn)開關(guān)瞬變。注意，+12 V 常用電源與 AC 線路的中性線隔離。這提供了一種相對(duì)安全的方式，以利用低壓 DC 電路開關(guān)高壓 AC 負(fù)載。像以前一樣，在處理 AC 線電壓時(shí)，必須非常小心，而且要采取適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施。

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霍爾開關(guān)的旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器

常見應(yīng)用包括使用霍爾開關(guān)產(chǎn)生與速度、位移或轉(zhuǎn)軸位置成比例的數(shù)字輸出。旋轉(zhuǎn)應(yīng)用所需的觸發(fā)磁場(chǎng)能以下列兩種方式提供：

(a) 磁性轉(zhuǎn)子組件

將觸發(fā)的磁體固定在轉(zhuǎn)軸上，固定的霍爾開關(guān)在每次經(jīng)過磁南極時(shí)都會(huì)被觸發(fā)（圖 22 A 部分）。如果在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)需要多次觸發(fā)，有時(shí)可通過模壓或剪切塑料或橡膠磁性材料制作低成本的轉(zhuǎn)子（參閱廉價(jià)替代選項(xiàng)部分）。

圖 22.轉(zhuǎn)子的典型配置：(A) 磁葉片 (B) 鐵葉片

也可使用環(huán)形磁體。環(huán)形磁鐵是能在市面上購得的盤片狀磁體，其磁極沿磁鐵的圓周間隔排列。它們能以可靠和低成本的方式控制霍爾開關(guān)。環(huán)形磁鐵也有其應(yīng)用局限：

• 磁極位置的精確性（通常在 2 度或 3 度以內(nèi)）。

• 磁極強(qiáng)度的均勻性（±5% 或更差）。

在需要精確開關(guān)的應(yīng)用中，必須考慮這些局限。

(b) 鐵葉片轉(zhuǎn)子組件  

在該配置中，霍爾開關(guān)與磁體都處于靜止?fàn)顟B(tài)（圖 22 B 部分）。轉(zhuǎn)子的每個(gè)鐵葉片通過時(shí)，會(huì)中斷磁通量并使其轉(zhuǎn)向（參閱圖 15）。

葉片開關(guān)比環(huán)形磁鐵略貴，但由于鐵葉片的尺寸和外形能精確控制，所以它們經(jīng)常用于需要精確開關(guān)的應(yīng)用或工作循環(huán)控制中。

正確設(shè)計(jì)的葉片開關(guān)能產(chǎn)生斜率很大的磁通量密度曲線，并能在更大的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行精確和穩(wěn)定的開關(guān)動(dòng)作。

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霍爾開關(guān)應(yīng)用的環(huán)形磁體

磁鐵供應(yīng)商可提供采用各種不同材料和外形生產(chǎn)的，適用于霍爾開關(guān)的環(huán)形磁體。磁極的極性方向可能是放射狀（圖 23 A 部分），也可能是軸心對(duì)稱的（圖 23 B 部分），在直徑 25-mm 的環(huán)形磁體上，最多可形成 20 個(gè)磁極對(duì)。在尺寸和磁極數(shù)一定的情況下，磁極呈軸心對(duì)稱分布的環(huán)形磁體具有更高的磁通量密度。

圖 23.常見的環(huán)形磁鐵類型：(A) 徑向與 (B) 軸向；示意圖稍后在列線圖中使用

最常用的材料是不同類型的 Alnico、陶瓷 1 號(hào)和以橡膠或塑料為基體材料的鋇鐵氧體（參閱表 4）。制造商通常都會(huì)提供現(xiàn)貨尺寸和磁極對(duì)的選項(xiàng)。也可選擇專門定制，但這樣會(huì)增加成本。

Alnico 是多種鋁鎳鈷合金的統(tǒng)稱，它們具有較廣的磁性范圍。通常，Alnico 環(huán)形磁體具有最高的磁通量密度，當(dāng)溫度變化時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化最小，但同時(shí)成本也最高。由于它們非常堅(jiān)硬，因此除非打磨，否則很難使其成形，而且這些材料很脆，這使得軸承或柄軸很難固定。

與 Alnico 磁體相比，陶瓷 1 號(hào)磁鐵（商標(biāo)為 Indox、Lodex）的磁通量密度要低一些，當(dāng)溫度變化時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化很大。但它們的成本較低，而且具有很強(qiáng)的抵御外部磁場(chǎng)消磁的能力。陶瓷材料可以防止大部分化學(xué)物質(zhì)的侵入，并具有很高的電阻率。與 Alnico 一樣，相比于霍爾開關(guān)和其他半導(dǎo)體，它們具有更出色的耐溫性，如果需要進(jìn)行再成形或修整，必須對(duì)其進(jìn)行打磨。它們可能需要一個(gè)支撐柄軸，以減少機(jī)械應(yīng)力。

橡膠和鋇鐵氧體環(huán)形磁體在成本、磁通量密度和溫度系數(shù)方面與陶瓷 1 號(hào)基本相同，但其很軟，因此采用常規(guī)方法就能對(duì)其塑形。在一些應(yīng)用中，還可將其鑄壓在軸上。根據(jù)特定材料的不同，它們的使用溫度限制范圍在 70°C 至 150°C 之間，而且其磁場(chǎng)相對(duì)于溫度的變化程度比 Alnico 或陶瓷 1 號(hào)要高得多。

無論使用何種材料，環(huán)形磁體在極性位置精度和磁極強(qiáng)度的均勻性方面都受到一定限制，這反過來也限制了輸出波形的精確性。根據(jù)估算，橡膠、塑料和陶瓷磁體上的極性位置通常與目標(biāo)物體相差 ±2° 或 ±3° 以內(nèi)，而實(shí)際測(cè)得的誤差為 ±5°。磁極到磁極的磁通量密度差通常為 ±5%，雖然也有磁差高達(dá) ±30% 的情況。

圖 24 是直徑 25.4 mm 的典型 4 磁極對(duì)陶瓷環(huán)形磁體中，磁通量密度隨角位置變化的曲線圖，其有效總氣隙 (TEAG) 為 1.7 mm（1.3 mm 的間隙加 0.4 mm 的封裝厚度）它清楚地顯示了極性位置誤差和磁極到磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

圖 24.環(huán)形磁體的磁通量特性

對(duì)環(huán)形磁體的不斷研究，使其具有了足夠的磁通量密度，以形成可靠的開關(guān)切換。在既定尺寸的環(huán)形磁體中，磁極對(duì)數(shù)量和磁通量密度之間形成了平衡。因此，磁極數(shù)多的環(huán)形磁體具有更低的磁通量密度。重要的一點(diǎn)是，應(yīng)使有效總氣隙 (TEAG) 保持最小，因?yàn)樵诤芏喑Ｒ姷沫h(huán)形磁體中，霍爾作業(yè)區(qū)的磁通量密度每毫米會(huì)降低 200 至 240 G。圖 25 中清楚地顯示了這點(diǎn)，這是在典型的 20 –磁極對(duì)的塑料環(huán)形磁體中，磁極的磁通量密度隨 TEAG 變化的曲線圖。

圖 25.窄極距對(duì)磁信號(hào)強(qiáng)度影響的實(shí)例

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雙極霍爾數(shù)字開關(guān)

雙極開關(guān)具有一致的磁滯性，但個(gè)別器件的開關(guān)點(diǎn)發(fā)生在相對(duì)偏正極或偏負(fù)極的范圍內(nèi)。因?yàn)榇艌?chǎng)極性的交替確保了開關(guān)點(diǎn)的切換，并且一致的磁滯性確保了周期性，故而這些器件適用于需要緊密排列、南北兩極交替使用的情況，從而導(dǎo)致所需的磁信號(hào)幅度 ΔB 最小，但磁場(chǎng)極性的交替能確保開關(guān)，一致的磁滯能確保周期性。

雙極開關(guān)的實(shí)例是一個(gè)最大工作點(diǎn) B_OP（最大）45 G、最小釋放點(diǎn) B_RP（最小）–40、最小磁滯 B_HYS（最小）15 G 的開關(guān)。但最小工作點(diǎn) B_OP（最小）可低至–25 G，最大釋放點(diǎn)B_RP（最大）可增至 30 G。圖 26A 顯示了具有這些開關(guān)點(diǎn)的假設(shè)開關(guān)的特性。圖 26A 頂部的曲線“最小ΔB”顯示了一個(gè)小的振幅如何引起開關(guān)的切換。“單極模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)完全在正極（南極）范圍內(nèi)，“負(fù)單極模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)完全在負(fù)極（北極）范圍內(nèi)，“鎖存模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)會(huì)跨越南極和北極范圍（工作方式類似于下節(jié)描述的霍爾器件類型，數(shù)字鎖存）。由圖 26A 底部的 V_OUT曲線可以看出，對(duì)于每種可能性，輸出的工作循環(huán)都完全不同，但每個(gè)磁極交替處的一致開關(guān)很可靠。

圖 26A一個(gè)雙極開關(guān)可能的開關(guān)點(diǎn)范圍實(shí)例（與低磁通振幅、窄間距磁極交替目標(biāo)一起使用）

在前面討論的應(yīng)用中，霍爾開關(guān)在磁南極（正磁通量）靠近時(shí)工作（打開）。當(dāng)磁南極移開（磁通量密度接近 0）時(shí)，霍爾開關(guān)必須釋放（關(guān)閉）。在環(huán)形磁體上，南北兩極都是交替出現(xiàn)的。釋放點(diǎn)的磁通量密度變得不再重要，因?yàn)槿绻魻栭_關(guān)在磁通量趨于 0（已通過南極）時(shí)沒有關(guān)閉，當(dāng)緊隨的北極使磁通量變?yōu)樨?fù)時(shí)，它一定會(huì)關(guān)閉。雙極霍爾開關(guān)利用這個(gè)額外的釋放點(diǎn)磁通量余量來實(shí)現(xiàn)更低的工作點(diǎn)通量密度，在環(huán)形磁鐵應(yīng)用中，這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。

要查看 Allegro 雙極開關(guān)的最新產(chǎn)品列表，請(qǐng)?jiān)L問：霍爾效應(yīng)鎖存與雙極開關(guān)。

雙極數(shù)字開關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例

給出：

• Allegro UA 型封裝內(nèi)的雙極霍爾開關(guān)：有效面積深度 (AAD)（與封裝厚度）為 0.50 mm，

• 氣隙 (AG)（必要的機(jī)械間隙）為 0.76 mm，

• 工作溫度范圍在 –20°C 至 85°C 之間，

• 最大工作點(diǎn) B_OP 200 G（從 –20°C 至 85°C），

• 最小釋放點(diǎn) B_RP –200 G（從 –20°C 至 85°C）.

1. 計(jì)算有效總氣隙 TEAG：

2. TEAG = AG + AAD

3. TEAG = 0.76 mm + 0.50 mm = 1.26 mm

4. 確定足以使霍爾開關(guān)工作的磁通量密度 B 加 40%。
   要使霍爾開關(guān)工作，磁體必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，以 1.26 mm 的距離提供至少 ±200 G 的磁通量密度。正確的設(shè)計(jì)實(shí)踐需要增加額外的磁通量，以提供一些余量，以應(yīng)對(duì)老化、機(jī)械磨損和其他無法衡量的情況。如果我們要增加 100 G—合理的數(shù)值—所需的磁體必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，以 1.26 mm 的距離提供 ±300 G 的磁通量密度。

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數(shù)字鎖存

與可能利用磁南極或磁北極釋放的雙極開關(guān)不同，鎖存（本質(zhì)上是雙極）能更精確地控制工作和釋放參數(shù)。這種霍爾集成電路已被設(shè)計(jì)為只在磁南極工作（打開）。在磁南極移開后，它一直保持開啟狀態(tài)。為使雙極鎖存釋放（關(guān)閉），必須存在一磁北極。這種南極-北極交替工作如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，就能產(chǎn)生接近 50% 的工作循環(huán)，如圖 26B 所示。

圖 26B雙極鎖存特性的實(shí)例（用于精確控制工作循環(huán)、磁極交替）

Allegro 提供了范圍廣泛的霍爾效應(yīng)鎖存，它們專門用于需要精確控制工作循環(huán)的操作環(huán)境，例如直流電機(jī)整流。鎖存還能用于軸編碼器、速度計(jì)元件和轉(zhuǎn)速表傳感器。要查看 Allegro 鎖存?zhèn)鞲衅?IC 的最新產(chǎn)品列表，請(qǐng)?jiān)L問：霍爾效應(yīng)鎖存與雙極開關(guān)。

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環(huán)形磁體的詳細(xì)分析

溫度影響

可惜的是，磁體強(qiáng)度在一定程度上要受溫度的影響。表 1 提供了一些普通磁材料的溫度系數(shù)。

如果我們按照 -0.2%/°C 的最壞情況的溫度系數(shù)考慮一個(gè)陶瓷 1 號(hào)環(huán)形磁體，就需要增加一些額外的磁通量密度，以滿足常溫的要求，確保在 +85°C 下，每個(gè)磁南極仍具有 300 G 的磁通量密度。此額外磁通量密度等于：

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

因此，要確保霍爾開關(guān)在溫度范圍內(nèi)工作，+25°C 時(shí)的每個(gè)磁南極的磁通量密度應(yīng)為 300 G + 36 G = 336G。

對(duì)于磁北極的要求可采用相同的步驟。如果磁體要在 +85°C 時(shí)提供每個(gè)磁南極 300 G 和每個(gè)磁北極 -300 G 的磁通量密度，由于溫度系數(shù)為負(fù)，其在 -20°C 時(shí)將在每個(gè)磁北極提供更高的磁通量密度。

在溫度條件要求更嚴(yán)格的應(yīng)用中，Alnico 磁體比我們考慮的陶瓷磁體要好得多。您也可以指定符合應(yīng)用要求的規(guī)格，以定制霍爾開關(guān)。例如，為了滿足應(yīng)用需要，您可以指定一個(gè)特定溫度下工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的范圍，以及工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的溫度系數(shù)。通常，霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的溫度系數(shù)小于 0.3 G/°C，工作點(diǎn)的磁通量密度小于 100 G。

如果您需要使用低成本、低磁通量密度的環(huán)形磁體，Allegro UA 型封裝（總厚度 1.55 mm）中的器件將是您的最佳選擇。作業(yè)區(qū)深度 (AAD) 為 0.50 mm，這會(huì)使磁體的磁通量密度的峰值明顯提高，如 圖 25所示。

如果轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)能承受扭矩增加的需要，那么可以考慮使用一個(gè)磁通量集中器。按此方式，磁通量密度能從 10% 增加至 40%。將 0.8 mm 厚的軟鋼集中器固定在與其尺寸相同的霍爾開關(guān)的背面，能夠使磁通量密度增加約 10%。從器件背面至相鄰磁極的軟鋼回路能使磁通量密度增加更多。通常可以組合使用固定架和磁通量集中器的功能（參閱 57的實(shí)例）。

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一種成本低廉的選擇

創(chuàng)新的設(shè)計(jì)能產(chǎn)生令人稱奇的出色效果。橡膠和塑料磁體入庫時(shí)按片保存。該磁體片的一面為磁北極，另一面為磁南極。這種材料相對(duì)便宜，而且能輕易地沖壓或沖切成各種形狀。

這些屬性能確保設(shè)計(jì)人員制作性能優(yōu)異、成本低廉的磁轉(zhuǎn)子。橡膠磁體可沖切成星形轉(zhuǎn)子，如圖 27 所示。采用尼龍?zhí)坠茏龀伤妮S，如圖 28 所示。

圖 27.作為廉價(jià)環(huán)形磁體的橡膠磁體的布局實(shí)例

圖 28.廉價(jià)環(huán)形磁體的尼龍?zhí)坠軐?shí)例

最后，將一個(gè)薄的軟鋼支承板固定在組件的背面，以提供一定的機(jī)械強(qiáng)度，并幫助引導(dǎo)磁通量從磁北極返回反面。這確實(shí)能幫助在輪齒之間形成明顯的磁北極，在磁南極輪齒之間測(cè)定的磁通量為復(fù)值。圖 29 顯示了完整的磁轉(zhuǎn)子組件，主要是一個(gè)具有軸對(duì)稱磁極的環(huán)形磁體。

圖 29.廉價(jià)環(huán)形磁體組件的實(shí)例

對(duì)霍爾開關(guān)進(jìn)行固定，使其有效面靠近轉(zhuǎn)子組件的頂部，并面向標(biāo)記的磁極。這種方法具有多功能性，因?yàn)檫@樣分布不均的磁極可用于制作打開時(shí)間能靈活調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子，因此可用作計(jì)時(shí)凸輪。圖 30 顯示了能調(diào)至 180° 開，再調(diào)至 180° 關(guān)的凸輪計(jì)時(shí)器。

圖 30.調(diào)至 180° 開，再調(diào)至 180° 關(guān)的環(huán)形磁體的實(shí)例

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環(huán)形磁體選擇

當(dāng)與磁體銷售商討論您的應(yīng)用需要時(shí)，要考慮以下因素：

• 機(jī)械因素

• 尺寸與公差

• 固定孔類型和最大離心率

• 旋轉(zhuǎn)速度

• 所需的機(jī)械支撐

• 膨脹系數(shù)

• 磁性因素

• 磁極：數(shù)量、朝向和位置精確度

• TEAG 既定時(shí)的磁通量密度（請(qǐng)記住在間隙數(shù)字中加入霍爾開關(guān)的封裝部分）

• 磁性溫度系數(shù)

• 環(huán)境因素

• 材料對(duì)工作環(huán)境的容限（溫度、化學(xué)溶劑和電勢(shì)）

下圖中列舉了多種典型環(huán)形磁體的磁通量密度曲線，以便就不同的尺寸和材料選擇，提供專業(yè)建議。圖 31 顯示了與圖 25中的磁體尺寸和材料類似的環(huán)形磁體的曲線，但它只有 10 個(gè)而非 20 個(gè)磁極對(duì)（注意磁通量密度的增加值）。圖 32 顯示了只有一個(gè)磁極對(duì)的 Alnico 8 環(huán)形磁體的曲線。

圖 31.塑料 1 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙的對(duì)比

圖 32.Alinco 8 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙的對(duì)比

圖 33 顯示了有三個(gè)磁極對(duì)的陶瓷 1 環(huán)形磁體的曲線。圖 34 顯示了有四個(gè)磁極對(duì)的陶瓷 1 環(huán)形磁體的曲線（使用和未使用磁通量集中器時(shí)）我們一直建議對(duì)環(huán)形磁體進(jìn)行到貨檢查。通過使用市場(chǎng)上可購得的高斯計(jì)或固定在便攜測(cè)試器件上的經(jīng)校準(zhǔn)的霍爾開關(guān)，能確保磁體規(guī)格在商定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。Allegro將為您提供經(jīng)校準(zhǔn)的霍爾器件和技術(shù)幫助。

圖 33.陶瓷 1 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙的對(duì)比

圖 34.陶瓷 1 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙對(duì)比，它顯示了固定在霍爾器件背面的圓柱形鐵質(zhì)磁通量集中器的應(yīng)用結(jié)果對(duì)比

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鐵葉片旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器

鐵葉片轉(zhuǎn)子組件是旋轉(zhuǎn)霍爾開關(guān)應(yīng)用中的替代磁轉(zhuǎn)子。如上所述，單個(gè)磁體將使一個(gè)霍爾開關(guān)保持開啟，只有當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片切斷磁通量的通路，并將該通路從霍爾開關(guān)轉(zhuǎn)向時(shí)，它才會(huì)關(guān)閉。由于能消除環(huán)形磁體的變化、位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，所以使用單個(gè)磁體能確保進(jìn)行精確開關(guān)。與環(huán)形磁體上平均分布的磁極不同，轉(zhuǎn)子葉片的寬度能輕易改變。這能改變霍爾開關(guān)的關(guān)閉和打開時(shí)間，使設(shè)計(jì)者能控制輸出波形的工作循環(huán)。如果想在更廣的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確開關(guān)，鐵葉片是非常好的選擇額。當(dāng)葉片穿過磁體和霍爾開關(guān)之間時(shí)，大量的磁通量將被阻擋或轉(zhuǎn)向。水平方向上的較小振動(dòng)對(duì)切換點(diǎn)的影響很小。

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工作中的鐵葉片

圖 35 顯示了鐵葉片磁體/霍爾開關(guān)系統(tǒng)的頂視圖和前視圖，以及隨該系統(tǒng)產(chǎn)生的葉片運(yùn)動(dòng)而變化的磁通量密度曲線。注意，視圖和圖形是沿橫軸垂直對(duì)齊的。位置是從葉片的前沿到磁體/霍爾器件的中心線測(cè)量的。

圖 35.回轉(zhuǎn)單葉片組件與磁特性曲線，采用釤鈷磁體與 ?65 mm 鐵質(zhì)杯形轉(zhuǎn)子 (150 G/deg.)。

一開始，當(dāng)葉片全部位于磁體左邊時(shí)，該葉片不產(chǎn)生任何影響，霍爾元件處的磁通量密度最大為 800 G。當(dāng)葉片的前沿靠近磁體時(shí)，葉片的轉(zhuǎn)向效應(yīng)使磁通量密度以接近線性的形式減小。當(dāng)葉片經(jīng)過器件中心線時(shí)，葉片會(huì)擋住磁體，此時(shí)的磁通量密度最小。當(dāng)葉片繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，磁體開始露出。這樣就能使磁通量增加到初始值。然后，葉片的其他運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)霍爾元件處的磁通量密度產(chǎn)生任何影響。

由于存在磁場(chǎng)，所以位于傳感器 IC 位置的霍爾開關(guān)開始應(yīng)為打開狀態(tài)。在一些磁通量密度線性減小的區(qū)域，磁通量將降至釋放點(diǎn)以下，霍爾開關(guān)將關(guān)閉。在磁通量增加至特定霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)之前，它會(huì)一直保持關(guān)閉。記住，對(duì)于該特定霍爾開關(guān)，考慮磁滯量后，工作點(diǎn)的磁通量密度要大于釋放點(diǎn)的磁通量密度。

霍爾開關(guān)保持關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)段長度（從霍爾開關(guān)釋放點(diǎn)到下個(gè)工作點(diǎn)的時(shí)間）由葉片的實(shí)際長度、磁性斜率的陡度，以及霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的磁通量密度決定。該時(shí)段被稱為有效葉片寬度，它始終比葉片的物理寬度要大一些。

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轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

兩種常見的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為碟形和杯形，如圖 36 所示。

圖 36.轉(zhuǎn)子外形實(shí)例：（左圖）具有多個(gè)葉片的碟形和（右圖）杯形

碟形轉(zhuǎn)子的制作很簡單，因此經(jīng)常用于小規(guī)模應(yīng)用中，如機(jī)械控制等。必須考慮轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動(dòng)。雖然葉片激活開關(guān)能允許這種運(yùn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)子絕不可打到磁體或霍爾開關(guān)。

杯形轉(zhuǎn)子的制作更為復(fù)雜，而且成本更高，但它只需處理一個(gè)徑向距離，從而簡化了計(jì)算，并能精確地控制輸出波形。對(duì)于杯形轉(zhuǎn)子，徑向軸承磨損或間隙是決定間隔的重要因素，而軸向間隙相對(duì)來說并不重要。杯形轉(zhuǎn)子已成功地用于汽車點(diǎn)火系統(tǒng)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)的保持時(shí)間由葉片與開口寬度比決定。在設(shè)計(jì)精良的系統(tǒng)中，燃點(diǎn)穩(wěn)定性能保持在每攝氏度 ±0.005 分配度。

材料

葉片由低碳鋼制成，以最大限度減少殘留磁性，并產(chǎn)生良好的轉(zhuǎn)向效果。要選擇適當(dāng)?shù)娜~片厚度，以避免必須轉(zhuǎn)向的磁通量密度值的磁性飽和。葉片厚度通常在 0.8 和 1.5 mm 之間。

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葉片寬度/開口寬度、轉(zhuǎn)子尺寸

通常，轉(zhuǎn)子上最小的葉片和開口至少應(yīng)為磁極寬度的 1 - 1.5 倍，以產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)向作用，并在開和關(guān)的磁通量密度值之間保持足夠的差額。

在表 2 中，按三種情況，采用最大磁通量密度（在磁體上以開口為中心獲得）、最小磁通量密度（在磁鐵上以葉片為中心），以及兩值之間的差額，制成表格：

• 葉片和開口寬度與磁極寬度相同

• 葉片和開口寬度為磁極寬度的 1 - 1.5 倍

• 葉片和開口寬度為磁極寬度的 2 倍

在每種情況下，磁體均為 6.4 × 6.4 × 3.2 mm 的釤鈷磁體，氣隙為 0.3 mm，轉(zhuǎn)子葉片采用 1 mm 軟鋼片制成。

如果需要一個(gè)具有多個(gè)開口和葉片的小轉(zhuǎn)子，那么必須使用小型的稀土磁體，以確保為可靠地操作提供足夠的磁通量密度。例如一個(gè)邊長 2.5 mm 的立方體釤鈷合金磁體能制作直徑 31.8 mm 并具有 10 個(gè)開口和葉片的轉(zhuǎn)子。如果需要的葉片更少，還可進(jìn)一步減小尺寸。

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較陡的磁性曲線斜率確保可靠的開關(guān)

對(duì)于大部分常見形狀的葉片，磁通量密度相對(duì)于葉片運(yùn)動(dòng)的圖形在切換區(qū)非常接近線性的特性（參閱圖 35）。霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的磁通量密度值在這些線性切換區(qū)降低，顯而易見的是，如果這些數(shù)值改變，導(dǎo)致開關(guān)的葉片位置必然會(huì)發(fā)生變化。圖 37 顯示了兩個(gè)不同的磁電路中，隨葉片位置變化而變化的磁通量密度。在一種情況下，磁性斜率為 98 G/mm。在第二種情況下，該數(shù)值為 107 G/mm。

圖 37.兩種應(yīng)用中，隨葉片運(yùn)動(dòng)而變化的磁通量密度值的對(duì)比，它顯示了切換區(qū)的線性特性（斜率變化）

如果 98 G/mm 系統(tǒng)與已知在 25°C 時(shí)的工作點(diǎn)磁通量密度為 300 G 的霍爾開關(guān)一起使用，那么在該溫度下，當(dāng) 2.2 mm 葉片通過開口中心時(shí)，該器件將切換至打開狀態(tài)。如果在 125°C 時(shí)，霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)的磁通量密度上升至 400 G（這表明霍爾開關(guān)的溫度系數(shù)為 1 G/°C），葉片必須移動(dòng) 3.1 mm 通過開口中心，開關(guān)位置改變約 1 mm。如果在斜率為 107 G/mm 的第二個(gè)系統(tǒng)中使用相同的霍爾開關(guān)，那么工作點(diǎn)將只改變約 0.5 mm，或只改變第一種的一半，因?yàn)槠湫甭适堑谝环N系統(tǒng)中的兩倍。

典型的葉片系統(tǒng)中的斜率范圍在 40 G/mm 至 590 G/mm 之間，而且會(huì)受到磁體類型和尺寸、磁電路，以及有效總氣隙的影響。有趣的是，雖然側(cè)滑式工作模式能形成很陡的斜率，但其切換點(diǎn)受橫向運(yùn)動(dòng)（氣隙改變）的影響很大，因此，一般傾向于在有空隙和軸承磨損的應(yīng)用中使用葉片。

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小氣隙形成大斜率

氣隙應(yīng)達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)要求的那么小。要考慮的因素包括：

• 葉片材料厚度與葉片半徑

• 最大離心率（杯式葉片）

• 軸承公差和磨損

• 由于考慮固定，導(dǎo)致溫度對(duì)氣隙變化的影響

圖 38 中，在一個(gè)葉片系統(tǒng)中使用了兩種不同的釤鈷合金磁體，顯示了氣隙和磁體尺寸變化的影響。注意它只顯示了磁通量密度下降的切換區(qū)（切換區(qū)是對(duì)稱的）。橫軸上的距離已從葉片的前沿測(cè)得。

圖 38.使用兩種不同的釤鈷磁體的相對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，以及氣隙和磁通量集中器使用的差異對(duì)比（參閱要素表）

表 3圖 38 要點(diǎn) 使用兩種釤鈷立方磁體 Allegro U 型封裝的實(shí)例
圖表符號(hào)	氣隙 (mm)	切換區(qū) 斜率 (G / mm)	集中器*使用
1	2.5	551	是
2	2.5	388	否
3	2.5	354	是
4	3.0	343	是
5	2.5	307	否
6	3.0	248	否
7	3.0	220	是
8	3.0	177	否
*圓柱形磁通量集中器，采用直徑 ?3.2 mm、長度 6.4 mm 的軟鋼制成，并固定在 Allegro U 型封裝的無印記面。

圖 38 中使用的術(shù)語“氣隙”不是指有效總氣隙，它只是磁體表面到霍爾開關(guān)表面的距離。它不包括封裝部分。在鐵質(zhì)葉片應(yīng)用中經(jīng)常使用 Allegro U 型封裝，因?yàn)殍F質(zhì)葉片的有效面積很窄。

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磁通量集中器的投入回報(bào)

如果出于成本和尺寸的考慮，需要在圖 38 中使用較小的磁體，再加上機(jī)械特性的考慮，需要較大的氣隙（3.0 mm），而產(chǎn)生的磁通量密度和斜率（曲線 8）不是很好，這時(shí)該怎么辦？圖 38 中的曲線 7 顯示，通過加入簡單的磁通量集中器就能進(jìn)行顯著的改善。實(shí)例中使用的集中器直徑為 3.2 mm，長度為 6.4 mm，并固定在霍爾開關(guān)的后部。

磁通量集中器的設(shè)計(jì)實(shí)例

我們剛考慮的磁體/集中器配置（圖 38 中的曲線 7）似乎具有很高的性價(jià)比。以下是在使用直徑 63.5 mm 杯形轉(zhuǎn)子的汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中應(yīng)用集中器的評(píng)估。

此應(yīng)用中的初始計(jì)時(shí)和較廣的溫度范圍，使設(shè)計(jì)人員只能按照 +25°C 時(shí)的最小和最大工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)，以及在工作溫度范圍內(nèi)，這些參數(shù)的最大溫度系數(shù)，來指定使用定制的霍爾開關(guān)。

代表性的規(guī)格可能包括

• 25°C 最小工作點(diǎn) B_OP（最小） = 300 G

• 25°C 最大工作點(diǎn) B_OP（最大） = 450 G

• 25°C 最小釋放點(diǎn) B_OP（最小） = 200 G

溫度系數(shù)：

• ΔB_OP /Δ T 最大 = 0.7 G/°C

• ΔB_RP /Δ T 最大 = 1.0 G/°C

可以設(shè)計(jì)固態(tài)霍爾效應(yīng)點(diǎn)火系統(tǒng)，以在霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)點(diǎn)火。我們?cè)我膺x擇將該系統(tǒng)應(yīng)用于該點(diǎn)火實(shí)例中，霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)規(guī)范（125°C 時(shí)在 300 至 450 G 之間）將決定火花初始計(jì)時(shí)的不定量。機(jī)械系統(tǒng)可能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但在這里沒有考慮。

圖 39 顯示了在傳感器 IC 處測(cè)得的隨葉片運(yùn)動(dòng)而變化的磁通量密度。這里需要對(duì)曲線（只顯示切換區(qū)）的形狀進(jìn)行說明。由于平面最小和磁通量最大的區(qū)域不受影響，因此在繪制磁通量升高切換區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，可以很方便地從葉片前沿到葉片邊緣再到磁體中心線進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)一個(gè)葉片通過磁體，中心低磁通量區(qū)被撇開，并且具有線性切換的部分被拖到一起時(shí)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，那么產(chǎn)生的曲線具有相同的外觀。（平面高磁通量區(qū)域可忽略）。

圖 39.單葉片杯式轉(zhuǎn)子的磁特性的設(shè)計(jì)實(shí)例（只顯示磁通量切換區(qū)）

從此圖中，我們能識(shí)別系統(tǒng)切換區(qū)的磁斜率，葉片每運(yùn)動(dòng) 1 mm，大約為 223 G。根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑 (63.5 mm) 的計(jì)算結(jié)果顯示，葉片運(yùn)動(dòng) 0.55 mm 每分配度。由圖 39 獲得的 223 G/mm 斜率等同于 125 G 每分配度。規(guī)范說明，霍爾開關(guān)將在 300 G 到 450 G 之間工作，并產(chǎn)生 150 G 的不確定開口。在 25°C 時(shí)的不確定開口：

150 G × (分配度 / 125 G) = 1.2 分配度

如果有效總氣隙發(fā)生變化，就會(huì)對(duì)初始計(jì)時(shí)的不確定性產(chǎn)生額外的影響，同時(shí)將影響圖 39 中磁通量密度/葉片運(yùn)動(dòng)曲線的形狀和斜率。要考慮的因素包括磁體峰值能量乘積公差，以及最終霍爾開關(guān)/磁體組件中的制造公差。

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工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性

早期的霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)溫度系數(shù)約為 0.2 G/°C。為將其轉(zhuǎn)換為分配度每攝氏度，我們進(jìn)行下列計(jì)算：

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

因此，溫度改變 100°C 時(shí)，分配計(jì)時(shí)將改變 0.16 度。

典型的釤鈷合金磁體的溫度系數(shù)為 -0.04%/°C。以該系數(shù)工作時(shí)，在 25°C 時(shí)的 375 G 磁場(chǎng)，在 125°C 時(shí)將降至 360 G。將該系數(shù)應(yīng)用于圖 39 中的數(shù)據(jù)（磁性斜率為 223 G/mm），由圖 40 可以看出，我們的系統(tǒng)在 125°C 時(shí)，葉片的運(yùn)動(dòng)需要增加。可采用下列公式計(jì)算：

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

轉(zhuǎn)換為計(jì)時(shí)變化：

0.1 mm × (1 分配度 / 0.55 mm) = 0.12 分配度

溫度改變 100°C。

圖 40.單葉片杯式轉(zhuǎn)子的磁特性的設(shè)計(jì)實(shí)例（只顯示磁通量切換區(qū)），顯示溫度變化對(duì)工作點(diǎn)的影響

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計(jì)算靜止角和工作周期變化

常規(guī)系統(tǒng)中的靜止角是分配度數(shù)，該角度中的點(diǎn)均關(guān)閉。這與能夠在線圈一次繞組中流動(dòng)的計(jì)時(shí)電流相符。在我們的實(shí)例中，從霍爾開關(guān)釋放開始，直至開始工作，電流一直在一次線圈內(nèi)流動(dòng)（這段叫做有效葉片寬度）。考慮到陳舊設(shè)備，我們假設(shè)有一臺(tái) 8 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，需要一個(gè)具有相同尺寸的 8 開口和 8 葉片的分電器轉(zhuǎn)子。因此，一個(gè)開口-葉片段占 45 分配度，并將使一個(gè)缸點(diǎn)火。我們進(jìn)一步假設(shè)一個(gè)典型的霍爾器件在 25°C 時(shí)的工作點(diǎn)為 375 G（圖 40 的 A），在 25°C 時(shí)的釋放點(diǎn)為 260 G（圖 40 的 B）。

從圖 40 中我們發(fā)現(xiàn)，在葉片的前沿通過磁體中心線之前，點(diǎn)火點(diǎn)將關(guān)閉 1 mm，在葉片后沿通過磁體中心線后，它們會(huì)打開 1.5 mm。我們能計(jì)算葉片的有效寬度比葉片機(jī)械寬度大出：

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

這就在 25°C 時(shí)形成了 (45° + 4.54°) = 49.54 分配度的靜止角。工作循環(huán)為：

25°C 時(shí)為 (49.54° / 90°) = 55%

使用指定的最壞情況的溫度系數(shù)，我們可計(jì)算 125°C 時(shí)新的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)分別為 445 G（圖 40 的 C）和 360 G（圖 40 的 D）。在 +125°C 時(shí)的靜止角為：

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

工作循環(huán)為：

51° / 90° = 57%

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軸承磨損的影響

葉片徑向運(yùn)動(dòng) ±0.3 mm，位置大約調(diào)整至霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)，測(cè)得的磁通量密度變化為 ±6 G。將其轉(zhuǎn)換為變化值：

6 G × (1 分配度 /125 G) = 0.048 分配度

該值等同于 0.097 機(jī)軸度。

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固定的好壞也會(huì)影響穩(wěn)定性

在上例中，假設(shè)霍爾開關(guān)與磁體之間的物理關(guān)系絕對(duì)穩(wěn)定。實(shí)際上，要想將此變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須在設(shè)計(jì)固定支架時(shí)多加小心。研究發(fā)現(xiàn)，采用成形的鋁架或銅架支撐磁體或霍爾開關(guān)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)與溫度有關(guān)的問題。研究證實(shí)，使用模壓的塑料封裝是較為理想的固定技術(shù)之一。

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優(yōu)化舉措

單獨(dú)校準(zhǔn)技術(shù)

在有些應(yīng)用中，可能需要使葉片-霍爾器件組件在一個(gè)葉片邊緣位置范圍比霍爾器件實(shí)際可能的工作點(diǎn)規(guī)定更窄的情況下工作，例如，在點(diǎn)火分電器的實(shí)例中，需要減小初始計(jì)時(shí)窗口。其中一種解決辦法就是單獨(dú)校準(zhǔn)。可能采用下列幾種或所有技術(shù)：

• 通過改變磁體位置來調(diào)整氣隙

• 調(diào)整霍爾器件后面的磁通量集中器的位置

• 調(diào)整固定在霍爾器件后面的偏轉(zhuǎn)小磁體的位置

• 以較小的量為磁體消磁，減小磁性曲線斜率，以增加溫度影響，

• 采用與旋轉(zhuǎn)汽車分電器改變計(jì)時(shí)類似的方法，調(diào)整霍爾器件-磁體組件相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置

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工作模式：迎面與側(cè)滑

最常見的工作模式是迎面式（參閱圖 12B）和側(cè)滑式（參閱圖 13）。迎面式比較簡單，而且對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)比較敏感，但不用能用于機(jī)械拉伸過度可能損壞霍爾器件的情況。典型迎面式工作的磁通量密度分布（參閱圖 41）顯示磁通量值較低時(shí)，磁性斜率很小，這種缺點(diǎn)通常要求極大的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而且需要霍爾器件的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)具有感應(yīng)磁通量變化的極高靈敏度。通過選擇具有更高工作和釋放屬性的霍爾器件可解決這一問題。

圖 41.迎面式構(gòu)造中的磁通量特性的實(shí)例

側(cè)滑式也很簡單，它具有斜度合適的斜率（約 394 G/mmm），而且不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過度的問題。但它對(duì)橫向氣隙非常敏感，當(dāng)氣隙發(fā)生變化時(shí)，磁通量密度的變化很大。這一點(diǎn)在圖 42 的曲線中可以清楚地看到，圖中繪制了不同氣隙下實(shí)際的側(cè)滑工作圖。很明顯，如果需要精確開關(guān)，驅(qū)動(dòng)器件應(yīng)具有很小的側(cè)向氣隙。

圖 42.側(cè)滑構(gòu)造中，側(cè)向移動(dòng)對(duì)磁通量特性的影響

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工作模式的改進(jìn)復(fù)合磁體

推-挽式

由于霍爾開關(guān)的有效面積靠近封裝的印記面，因此通常需要將此面靠近磁南極進(jìn)行操作。還可以將一個(gè)磁北極靠近封裝的背面來操作霍爾開關(guān)。只使用磁北極的情況很少，推-挽式（同時(shí)將磁南極靠近印記面，磁北極靠近背面的應(yīng)用方法）能提供比任何單個(gè)磁體更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度（圖 43）。更為重要的是，推-挽構(gòu)造對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)很不靈敏，當(dāng)使用安裝較松的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，可考慮使用。

圖 43.復(fù)合磁體構(gòu)造的實(shí)例（霍爾器件或磁體組件均可固定），磁南極朝向印記面，磁北極朝向背面：（左圖）推-挽迎面式和（右圖）推挽側(cè)滑式

圖 44 顯示了具有約 315 G/mm 磁性斜率的推-挽側(cè)滑式構(gòu)造的實(shí)際磁通量密度曲線。

圖 44.推-挽側(cè)滑式磁體構(gòu)造的磁通量特性的實(shí)例

推-推式

還存在另一種可能性，在迎面工作模式中使用一個(gè)推-推式構(gòu)造（圖 45），這樣能創(chuàng)建一個(gè)斜率很大的雙極磁場(chǎng)（也是線性的）。

圖 45.推-推迎面式復(fù)合磁體構(gòu)造的實(shí)例（霍爾器件或磁體組件均可固定），磁南極朝向印記面和背面

如圖 45 所示，在推-推模式下的迎面式構(gòu)造中，當(dāng)機(jī)械器件居中時(shí)，磁場(chǎng)將相互抵消，在該位置產(chǎn)生磁通量密度 0。圖 46 顯示了采用該構(gòu)造時(shí)的磁通量密度分布。該曲線是線性的，且斜率適中，比 315 G/mm 略大一點(diǎn)。該機(jī)械構(gòu)造對(duì)于橫向運(yùn)動(dòng)很不靈敏。

圖 46.推-推迎面式磁體構(gòu)造的實(shí)例，其中磁場(chǎng)在移動(dòng)范圍中間抵消

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磁偏操作

在霍爾器件的后面放一個(gè)固定的磁北極或磁南極來改變工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)，還可以使霍爾器件發(fā)生磁偏。例如，將磁北極固定在背面時(shí)，使器件正常開啟，直至一個(gè)具有更強(qiáng)磁場(chǎng)的北極從反方向靠近反面（圖 47）。

圖 47.背部偏磁的磁體配置的實(shí)例，（左圖）側(cè)滑（右圖）迎面

圖 48-50 顯示了其他側(cè)滑技術(shù)。在推挽式、側(cè)滑式配置中使用復(fù)合磁體，獲得 685 G/mm 的磁性斜度。可使用稀土磁體獲得更大的斜率。最高可獲得斜度為 3937 G/mm 的磁通量密度曲線。

圖 48.側(cè)滑移動(dòng)的實(shí)例，磁體位于兩側(cè)；復(fù)合磁體與單獨(dú)磁體

圖 49.側(cè)滑移動(dòng)的實(shí)例，磁體位于一側(cè)，單獨(dú)磁體

圖 50.側(cè)滑移動(dòng)的實(shí)例，磁體位于一側(cè)，復(fù)合磁體

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通過改善電路來增加磁通量密度

磁通量可通過空氣、塑料和其他大部分材料傳輸，只是傳輸?shù)碾y度較大。由于沒有使磁通量從觸發(fā)磁體穿過（塑料和硅材料）霍爾器件的激發(fā)作用，所以，實(shí)際上只能穿過一部分材料。在器件周圍流動(dòng)以及從任何通道流至其他磁極的磁平衡形成了最低的磁滯（圖 51）。

圖 51.磁通量穿過空氣時(shí)產(chǎn)生的典型磁場(chǎng)，只有一小部分穿過霍爾器件

但磁通量能很容易地穿過鐵磁材料，例如軟鋼。空氣磁阻的系數(shù)比軟鋼的要高出幾千倍。

在霍爾器件應(yīng)用中，主要目標(biāo)是使從磁南極通過霍爾器件返回磁北極的磁通量通路的磁阻最小。適用于霍爾器件的最佳磁路能為磁通量提供一個(gè)鐵質(zhì)通路，如圖 52 所示，霍爾器件自身是僅有的“氣隙”。

圖 52.使用軟鋼為磁通量提供低磁阻通路的實(shí)例，其中大部分磁通量穿過霍爾器件

在需要不變形或無干擾的磁通量場(chǎng)中，使用一個(gè)全鐵質(zhì)的磁通量通路通常是不切實(shí)際、沒有必要，甚至是不可能的。這一原理只是指出了為提高磁通量密度采取的切合實(shí)際的折衷方法。

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通量集中器

磁通量集中器為低碳（冷軋）鋼磁導(dǎo)體。它們可提供一個(gè)從磁南極通過霍爾元件回到磁北極的低磁阻通路。磁通量集中器可有多種形狀，在注重體積小或成本的應(yīng)用中，通常使用更小或更便宜的磁體（或較便宜、靈敏度低的霍爾器件）。只要需要增加霍爾器件的磁通量密度，它們就有使用的價(jià)值。最高可使磁通量增加 100%。

圖 53 顯示了磁通量集中器工作效果的實(shí)例。兩部分顯示了相同的磁體（6.4 mm2 釤鈷磁體，3.2 mm 長）和支架（AG = 6.4 mm）在 A 部分，霍爾器件有效面積的磁通量密度為 187 G。在 B 部分，采用直徑 3.2 mm、長度 12.7 mm 的集中器，磁通量增加至 291 G。

圖 53.背部磁通量集中器對(duì)磁通量密度的影響(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

霍爾器件有效面積的面積一般為 0.3 mm2。將集中器的末端打磨成約相同的尺寸能獲得最佳效果。當(dāng)使用 Allegro 的 UA 封裝時(shí)，從有效面積至封裝背面的距離為 1.1 mm。由于存在該距離，所以集中器末端稍大一點(diǎn)，就能夠在該有效面積產(chǎn)生較高的磁通量密度值。如果末端的面積過大，就無法使磁通量充分集中。圖 54A、54B 和 54C 顯示了使用圓柱形磁通量集中器且氣隙為 6.4 mm 時(shí)產(chǎn)生的影響。

圖 54A背部磁通量集中器的影響，直徑太小，磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 減弱

圖 54B背部磁通量集中器的影響，直徑太大，磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 減弱

圖 54C.背部磁通量集中器的影響，直徑與霍爾器件非常匹配

磁通量集中器的長度也會(huì)對(duì)磁通量密度產(chǎn)生影響。圖 55 顯示了這種影響。

圖 55.背面磁通量集中器長度的影響，使用 ?3.2 mm 的釤鈷磁體 AG = 6.4 mm

為方便起見，這里我們使用了圓柱形集中器，但集中器的體型也有一定影響。重要的因素包括距離霍爾元件最近的磁體的形狀、位置和表面積。

通過使用經(jīng)校準(zhǔn)的線性霍爾器件或商用高斯計(jì)，可輕松測(cè)量其他形狀的集中器的有效性。

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將磁體固定在鐵板上

將磁體固定在鐵板上能使霍爾元件處的磁通量密度進(jìn)一步增加。使用與圖 54C 中的磁體形狀相同的磁體，該磁體產(chǎn)生的磁通量密度為 291 G，注意圖 56A 和 56B 中獲得的有效磁通量，以及鐵板產(chǎn)生的磁通量密度的額外增加。

圖 56A附在磁體上的 12.7 mm² 額外磁通量集中器的影響

圖 56B附在磁體上的 25.4 mm² 額外磁通量集中器的影響

圖 57 顯示了一個(gè)環(huán)形磁體應(yīng)用中可能使用的磁通量集中器。使用一個(gè)延伸至兩個(gè)相鄰北極的磁通量集中器，磁通量從 265 G 增加至 400 G（0.4 mm 氣隙）。注意集中器有一個(gè)以霍爾器件為中心的凹陷或臺(tái)面。在多數(shù)應(yīng)用中，該臺(tái)面將在一個(gè)水平固定面上使磁通量密度明顯增加。

圖 57.臺(tái)面式支架與通量集中器的實(shí)例

引力與變形的磁通量場(chǎng)

只要使用磁通量集中器，磁體與集中器之間就會(huì)存在引力。這可能對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。

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饋通

圖 58 顯示了一個(gè)使用磁導(dǎo)體通過非鐵外殼饋給磁通量的實(shí)例。如圖所示，一個(gè)小型電機(jī)轉(zhuǎn)子的末端固定有一個(gè) 3.2 mm 的立方釤鈷磁體。一個(gè) 3.2 mm 的立方鐵質(zhì)導(dǎo)體沿合金外殼放置，并與磁南極之間保持 0.8 mm 的氣隙。霍爾開關(guān)固定在另一端，開關(guān)后面是磁通量集中器。

圖 58.從目標(biāo)到霍爾器件的磁信號(hào)饋通的典型應(yīng)用

通常，饋通有效截面區(qū)和形狀應(yīng)與磁極相同。該原理可用于通過任何非鐵材料饋給磁通量，如泵殼、管道或面板。

圖 59 中的兩條曲線說明了增加饋通長度，以及霍爾開關(guān)背面的磁通量集中器對(duì)磁通量密度的影響。曲線 A 中是使用磁通量集中器獲得的數(shù)值，而在曲線 B 中沒有使用集中器。在兩種情況下，最高磁通量密度都是利用最小饋通尺寸 L（3.2 mm）獲得。磁通量密度峰值在使用磁通量集中器時(shí)為 350 G，不使用磁通量集中器時(shí)為 240 G。

圖 59.饋通導(dǎo)體長度影響磁通量的實(shí)例（使用和不使用磁通量集中器）

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磁體選擇

磁體必須在工作環(huán)境中的有效總氣隙下可靠工作。它必須適合可用的空間。磁體必須能固定、價(jià)格合理而且能隨時(shí)使用。

性能系數(shù)

常用于磁體材料的性能系數(shù)有：

• 以高斯 (G) 表示的剩余感應(yīng) (B_r)。磁場(chǎng)強(qiáng)度有多大？

• 以奧斯特 (Oe) 表示的抗磁力 (H_c)。磁體抵抗外部消磁作用的能力有多強(qiáng)？

• 以高斯-奧斯特 × 10⁶ 表示的最大能量乘積（BH_max）。一個(gè)具有優(yōu)異抗消磁能力的強(qiáng)磁體，同時(shí)具有更高的最大能量乘積。通常，能量乘積越大，磁體越好，磁性越強(qiáng)，價(jià)格就越貴。

• 溫度系數(shù)。工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)在整個(gè)工作溫度范圍的變化率，以高斯每攝氏度表示。溫度變化時(shí)，磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度將發(fā)生多大變化？

磁體材料

釹 (Ne-Fe B)。新型的釹鐵硼合金，適用于最大能量乘積高、價(jià)格適中的磁體材料。該磁體由被稱為定向-擠壓-燒結(jié)的粉末金屬技術(shù)或一種融入噴鑄和傳統(tǒng)成形技術(shù)的新處理工藝制作而成。目前工作的目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本，增加工作溫度范圍，并降低溫度系數(shù)。通過使用現(xiàn)代鍍層技術(shù)，能夠克服材料氧化的問題。根據(jù)材料加工工藝的不同，最大能量乘積范圍在 7 和 15 MGOe 之間。

稀土鈷（簡稱為 RE 鈷）是一種稀土金屬與鈷的合金，例如釤。這些磁體在所有類別中是性能最好的，但在同等情況下，也是價(jià)格最貴的。由于太硬而難以加工，所以如果要成形的話，必須要進(jìn)行打磨。最大能量乘積可能是衡量磁體質(zhì)量的最佳標(biāo)準(zhǔn)，大約為 16 × 10⁶。

鋁鎳鈷合金是一種包含鋁、鎳、鈷、鐵和添加物的合金，改變添加物能擴(kuò)大磁體的屬性范圍。這些磁體磁性強(qiáng)，而且價(jià)格昂貴，但比稀土鈷磁體要便宜。鋁鎳鈷合金磁體可鑄造而成，也可通過在鋼模中擠壓金屬粉末，對(duì)其加熱來燒結(jié)制成。燒結(jié)的鋁鎳鈷合金十分適合大量制造體積小、形狀各異的磁體。它們具有更均勻的磁通量密度，而且機(jī)械性能卓越。鑄造的鋁鎳鈷合金磁體通常具有更強(qiáng)的磁性。未定向或等方性的鋁鎳鈷合金 (1, 2, 3, 4) 比定向的合金 (5, 6, 5-7, 8, 9) 要便宜，但機(jī)械性能要弱一些。鋁鎳鈷合金太硬而且很脆，除打磨之外，無法使其成形。最大能量乘積范圍在 1.3 × 10⁶ 至 10 × 10⁶ 之間。

陶瓷磁體在壓縮并燒結(jié)的陶瓷材料基質(zhì)中包含鋇或鍶鐵氧體（或該族的其他元素）。它們是電和熱的弱導(dǎo)體，化學(xué)性質(zhì)不活躍，而且具有較高的抗磁力。與鋁鎳鈷合金相比，陶瓷磁體能制成部分定向或全部定向，以獲得額外的磁場(chǎng)強(qiáng)度。它們比鋁鎳鈷合金便宜，但同樣太硬而且很脆，除打磨之外，無法使其成形。最大能量乘積范圍在 1 × 10⁶ 至 3.5 × 10⁶之間。

銅鎳鐵永磁合金是一種基于軟銅的鎳和鐵合金。它能被沖切、型鍛、拉伸或圈軋成最終的形狀。最大能量乘積約為 1.4 × 10⁶。

鐵鉻磁體具有與鋁鎳鈷合金 5 相似的磁性，雖然它們很軟，但在最終的老化處理使其變硬之前，能夠經(jīng)受加工處理。最大能量乘積約為 5.25 × 10⁶。

塑料和橡膠磁體在塑料基質(zhì)材料中包含鋇或鍶鐵氧體。這些磁體很便宜，而且能以多種工藝加工成形，根據(jù)特定的基質(zhì)材料的不同，這些工藝包括沖切、模壓和車加工等。由于使用的橡膠是人造的，而人造橡膠也是塑料，所以這兩種材料之間的區(qū)別不明顯。在通常的實(shí)踐中，如果塑料磁體的韌性很好，就可稱其為橡膠磁體。最大能量乘積范圍在 0.2 × 10⁶ 至 1.2 × 10⁶ 之間。

選擇磁體強(qiáng)度

磁體必須具有足夠的磁通量密度，以在要求的氣隙條件下達(dá)到霍爾開關(guān)最大工作點(diǎn)的規(guī)范。為保險(xiǎn)起見，正確的設(shè)計(jì)規(guī)范會(huì)建議另外增加 50 G 到 100 G 的磁通量密度，并在預(yù)期的溫度極限條件下，檢查是否有足夠的磁通量。

如果霍爾開關(guān)數(shù)據(jù)表指定 25°C 時(shí)的最大工作點(diǎn)為 350 G，那么增加另外的 100 G 后，在 25°C 時(shí)的最大工作點(diǎn)為 450 G。如果需要在 70°C 工作，那么規(guī)范需求為 450 G + 45 G = 495 G（在計(jì)算中，我們使用的工作點(diǎn)溫度系數(shù)為 0.7 G/°C，釋放點(diǎn)溫度系數(shù)為 1 G/°C）。由于大部分磁體的溫度系數(shù)都為負(fù)，所以該因素在室溫時(shí)也同樣需要一些額外的磁通量，以確保高溫工作性能。

抗磁力

如果工作環(huán)境導(dǎo)致磁體處于較強(qiáng)的消磁磁場(chǎng)中，例如，磁體面向一個(gè)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子附近，那么抗磁力就顯得尤為重要了。低于此類應(yīng)用，有必要使用具有高抗磁力的永久磁體（陶瓷、鋁鎳鈷合金 8，最好是稀土鈷）。

價(jià)格與能量乘積峰值

表 4 總結(jié)了常用的永久磁體及其磁屬性。價(jià)格欄顯示了所付價(jià)格與磁體能量乘積峰值之間的關(guān)系。

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高級(jí)應(yīng)用

限流與測(cè)流傳感器 IC

霍爾效應(yīng)器件是一種性能出色的限流或測(cè)流傳感器。它們的響應(yīng)范圍包括從直流到 kHz 交流區(qū)域。在高電流應(yīng)用中，不需要切斷導(dǎo)體。要查看 Allegro 電流傳感器 IC 的最新產(chǎn)品列表，請(qǐng)?jiān)L問：霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC

導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)通常不是很密，不足以使霍爾效應(yīng)器件工作（參閱圖 60）。

圖 60.與導(dǎo)體之間的距離增大時(shí)，磁通量密度會(huì)減小

從導(dǎo)體的中心至霍爾設(shè)備的有效面積測(cè)定半徑。半徑為 12.7 mm 且電流為 1000 A 時(shí)，霍爾器件處的磁通量密度為 159 G。

電流較低時(shí)，使用如圖 61A 和 61B 所示的環(huán)形線圈增加通過霍爾元件時(shí)的磁通量密度。對(duì)于有 1.5 mm 氣隙的 Allegro U 型封裝，圖 61B 所示的電路的磁增益為 6 G/A。要增加電路的靈敏度，應(yīng)增加環(huán)形線圈周圍導(dǎo)體線圈的纏繞圈數(shù)，如圖 61A 所示。圖 61A 的實(shí)例為 14 圈，因此其磁增益為 84 G/A。

圖 61A使用線圈和環(huán)形線圈感應(yīng)低電流的實(shí)例

圖 61B使用環(huán)形線圈感應(yīng)中等電流 (I>25 A) 的實(shí)例

對(duì)于低頻應(yīng)用，磁芯材料可選擇鐵或軟鋼 (C-1010)，對(duì)于高頻測(cè)量，可選擇鐵。

主要應(yīng)考慮：

• 當(dāng)電流降至 0 時(shí)，磁芯應(yīng)保持最小磁場(chǎng)

• 氣隙中的磁通量密度是電流的線性函數(shù)

• 在工作溫度范圍內(nèi)，氣隙是穩(wěn)定的。

磁芯的有效截面尺寸至少為氣隙尺寸的兩倍，以確保在氣隙中有比較均勻的磁場(chǎng)。例如，一個(gè)氣隙為 1.5 mm 的環(huán)形線圈的截面至少為 3 mm × 3 mm。

圖 62 顯示了另一種既簡單又節(jié)省成本的應(yīng)用。采用 1.6 mm 厚和 4.8 mm 寬的軟鋼制作一個(gè)直徑合適的環(huán)形線圈。使末端成形并分別固定在霍爾器件的中心部分的每一邊。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以將環(huán)形線圈放在導(dǎo)體周圍，而不必?cái)嚅_該導(dǎo)體的連接。

圖 62.霍爾電流感應(yīng)應(yīng)用的實(shí)例（允許在固定時(shí)不斷開導(dǎo)體的連接）

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多圈應(yīng)用

在選擇如圖 61A 所示的環(huán)形線圈的纏繞圈數(shù)時(shí)，需要考慮幾方面。

霍爾開關(guān)

保持跳變點(diǎn)的磁通量密度的范圍在 100 至 200 G 之間。在該范圍內(nèi)，能為器件提供一個(gè)較窄的磁性參數(shù)分布。假如您想在 10 A 時(shí)打開霍爾開關(guān)：

N = 300 G / (6 G/A × 10 A) = 5 圈

霍爾線性傳感器

為使輸出信號(hào)/靜止輸出漂移比率最大化，應(yīng)使磁通量密度在 100 G 以上。比率計(jì)傳感器 IC 的靜止輸出漂移通常為 0.2 mV/°C，而靈敏度溫度系數(shù)通常為 0.02%/°C。有些 Allegro 霍爾效應(yīng)器件的靈敏度和/或靜止輸出漂移，可根據(jù)具體應(yīng)用的要求定制。要查看 Allegro 線性 IC 的最新產(chǎn)品列表，請(qǐng)?jiān)L問：線性位置傳感器 IC。

對(duì)于需要更多圈的低電流應(yīng)用，可以繞一個(gè)線軸，將其滑放在磁芯上，再通過霍爾器件用一個(gè)架狀極片來完成磁電路的連接，如圖 63 所示。

圖 63.霍爾電流感應(yīng)應(yīng)用的實(shí)例（在低電流電路中使用線圈）

使用這種線軸架時(shí)，能測(cè)量較低的毫安范圍內(nèi)的電流，或用一個(gè)霍爾開關(guān)替換繼電器。在使用工作點(diǎn)為 200 G (±40 G) 的器件時(shí)，為使霍爾開關(guān)在 10 mA (±20%) 時(shí)激活，線軸需繞：

N = 200 G / (6 G/A × 0.01 A) = 3333 圈

調(diào)整氣隙對(duì)最終進(jìn)行更精確的校準(zhǔn)很有用。在所有情況下，一定注意不要擠壓封裝。

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線性傳感器 IC 的其他應(yīng)用

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 主要用于感應(yīng)相對(duì)較小的磁場(chǎng)變化，變化很小，無法使霍爾開關(guān)工作。它們通常與一個(gè)放大器進(jìn)行電容耦合，該放大器將輸出放大至較高水平。

它們能用作運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器、輪齒傳感器 IC 和接近傳感器（圖 64），因此是機(jī)械活動(dòng)中磁驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用典范。作為電靈敏的磁體監(jiān)控器，它們能有效測(cè)量系統(tǒng)負(fù)載很小的系統(tǒng)性能，同時(shí)能與被污染和有電噪聲的環(huán)境隔離。

圖 64.霍爾效應(yīng)器件監(jiān)控機(jī)械活動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例：（左圖）磁北極感應(yīng)鐵類材料不存在，（右圖）磁南極感應(yīng)鐵類材料存在

每個(gè)霍爾效應(yīng)集成電路都包含一個(gè)霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器輸出級(jí)。和低水平模擬信號(hào)有關(guān)的問題都可由單個(gè)芯片中的霍爾元件和放大器來解決。

規(guī)定輸出無效（靜止）電壓為電源電壓的 1.5 倍。霍爾效應(yīng)傳感器 IC 印記面存在的磁南極將使輸出電壓高于無效電壓。磁北極將使輸出電壓低于無效電壓。

在工作中，瞬時(shí)和比例輸出電壓級(jí)的大小取決于器件最靈敏區(qū)的磁通量密度。利用容許的最高電源電壓可獲得最高靈敏度，但要付出的代價(jià)是電源電流增加和輸出輕微失衡。傳感器 IC 輸出通常與放大器進(jìn)行電容耦合，該放大器將輸出放大至毫伏級(jí)以上。

在圖 65 和 66 所示的兩個(gè)應(yīng)用中，永久偏磁體用環(huán)氧膠固定在環(huán)氧封裝的背面。封裝的正面含有鐵質(zhì)材料，因此可充當(dāng)一個(gè)磁通量集中器。

圖 65.能檢測(cè)目標(biāo)存在的典型外部反向偏壓電路

圖 66.能檢測(cè)目標(biāo)不存在的典型外部反向偏壓電路

如果要用霍爾效應(yīng)集成電路感應(yīng)鐵類材料的存在，需要將磁南極固定在封裝的背面。如果要用霍爾效應(yīng)集成電路感應(yīng)鐵類材料不存在，需要將磁北極固定在封裝的背面。

可使用經(jīng)校準(zhǔn)的線性霍爾器件，以在特定應(yīng)用中確定傳感器 IC 處存在的實(shí)際磁通量密度。

鐵類金屬檢測(cè)器

圖 67 和 68 顯示了兩種相似的檢測(cè)器設(shè)計(jì)。第一個(gè)能感應(yīng)鐵類金屬的存在；另一個(gè)能感應(yīng)鐵類金屬不存在。僅通過改變相當(dāng)于傳感器 IC 的磁極，就實(shí)現(xiàn)了兩種感應(yīng)模式。在兩種情況下，磁極均附于封裝的無印記面。

圖 67.能檢測(cè)鐵類磁體存在的典型外部反向偏壓電路

圖 68.能檢測(cè)鐵類磁體不存在的典型外部反向偏壓電路

改變輸入去耦合電容器的數(shù)值，能輕松控制電路的頻率響應(yīng)特性，以獲得低頻斷點(diǎn)。如果需要高頻衰減，可使用一個(gè)電容使反饋電阻器轉(zhuǎn)向。

金屬傳感器 IC 將磁體北極附于線性傳感器 IC 的背面。傳感器與 2.4 mm 環(huán)氧板的底部接觸。當(dāng)一個(gè) 25 mm 的鋼球滾過傳感器時(shí)，輸出會(huì)發(fā)生變化（減小）。該信號(hào)通過運(yùn)算放大器放大并反向，然后驅(qū)動(dòng) NPN 三極管，使其打開。

凹槽傳感器 IC 將磁體南極固定在線性傳感器 IC 的背面。傳感器 IC 距離鋼轉(zhuǎn)子邊緣 0.8 mm。轉(zhuǎn)子邊緣沿 1.6 mm 寬、3.2 mm 深的槽通過傳感器 IC 時(shí)，將導(dǎo)致輸出發(fā)生變化（減小）。該信號(hào)通過運(yùn)算放大器放大并反向，然后驅(qū)動(dòng)應(yīng)用晶體管，使其打開。

注意，在兩個(gè)實(shí)例中，傳感器 IC 的印記面均要面向要感應(yīng)的材料（或材料空缺處）。在兩種情況下，存在（或不存在）鐵類金屬使霍爾效應(yīng)傳感器 IC 處的磁通量密度發(fā)生變化，從而使輸出脈沖走低。經(jīng)放大器反向后，該脈沖會(huì)驅(qū)動(dòng)晶體管，使其打開。

打印機(jī)應(yīng)用

圖 69 所示的組件能感應(yīng)字符打印鼓上的凸角。凸角為打印鼓圓周周圍 4.8 mm 以外的空間，其寬度為 6.4 mm，鼓表面的相對(duì)厚度為 0.3 - 0.4 mm。

圖 69.打印鼓監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)例

在該應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 后部放有磁體。北極附于封裝的背面。在印記面固定了一個(gè)磁通量集中器。雖然它不提供磁通量回路，但它將使磁場(chǎng)集中穿過霍爾開關(guān)。

如圖 70 所示，集中器的邊緣與打印鼓凸角對(duì)齊，相距 0.254 mm。輸出改變像顯示的一樣經(jīng)過放大，從運(yùn)算放大器形成一個(gè) 3 V 的輸出，驅(qū)動(dòng)晶體管使其打開，如圖 71 所示。

圖 70.打印鼓的感應(yīng)應(yīng)用通量集中器

圖 71.打印鼓的典型應(yīng)用電路

在此配置中其靈敏度很高，輸出信號(hào)基線很接近鼓中的軌跡偏心率。這將影響凸角的解決辦法，但凸角位置認(rèn)可測(cè)量。

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使用經(jīng)校準(zhǔn)的設(shè)備

校準(zhǔn)后的線性傳感器 IC 是一種精確易用的磁通量密度測(cè)量工具。每個(gè)設(shè)備均單獨(dú)校準(zhǔn)，并具有一個(gè)校準(zhǔn)曲線和靈敏系數(shù)。雖然校準(zhǔn)是在 800 G 磁場(chǎng)的南極和北極進(jìn)行，但該傳感器 IC 對(duì)測(cè)量兩個(gè)磁極的磁場(chǎng)都很有用。

需要使用一個(gè)精密穩(wěn)壓 (±10 mV) 的電源，以保持校準(zhǔn)后磁通量密度測(cè)量的精確性。同時(shí)，環(huán)境溫度必須保持在 21°C 至 25° C 范圍內(nèi)。

將 VCC 針腳連接至電壓 VCC，將 GND 針腳接地，將 VOUT 針腳連接至高阻抗伏特計(jì)。使用前，必須對(duì)設(shè)備加電，并使其穩(wěn)定運(yùn)行 1 分鐘。

使用靈敏系數(shù)能更精確地計(jì)算磁通量密度。首先，在 0 G或無磁場(chǎng)（靜止）條件下確定設(shè)備的無效輸出電壓。然后，將設(shè)備放入要測(cè)量的磁通量中，在應(yīng)用的磁場(chǎng)條件下讀取設(shè)備的輸出。可采用下列公式計(jì)算設(shè)備處的磁通量密度：

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

其中：

V_OUT(B) 是以 V
表示的應(yīng)用磁場(chǎng)下的輸出電壓，V_OUT(Q) 是以 V
表示的無效輸出電壓，S 是以 mV/G 表示的靈敏系數(shù)，B 是以 G 表示的設(shè)備處磁通量密度。

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術(shù)語表

有效面積：封閉的集成電路芯片上的霍爾元件的位置。

氣隙：從磁極或目標(biāo)表面到封裝表面的距離。

安匝 (NI)：磁通勢(shì)的 mks 制單位。

安匝/米 (NI/m)：磁化力的米制單位。1 安匝/米等于 79.6 奧斯特。

雙極：霍爾傳感器 IC 使用磁南極和磁北極的工作方法。

抗磁力 (Hc)：必須用于使磁料中的磁通量密度降至 0 的消磁力，以奧斯特表示。

磁通量集中器：任何用于吸引磁力線的鐵質(zhì)金屬。

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

吉伯：磁通勢(shì)的 CGS 制單位。

迎面式：霍爾傳感器 IC 的運(yùn)動(dòng)方式。將磁極移向或挪離封裝表面時(shí)，磁場(chǎng)將增強(qiáng)和減弱。

最大能量乘積 (BHmax)：磁體材料消磁曲線上 B 和 H 的最高乘積。以高斯-奧斯特 × 10₆ (MGOe) 計(jì)算。

麥克斯韋 (Mx)：總磁通量的 CGS 制單位。1 麥等于 10^-8 韋伯。

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

剩余磁感應(yīng) (Bd)：去除應(yīng)用的磁通勢(shì)后，在一個(gè)磁電路中剩余的磁感應(yīng)。當(dāng)磁電路中沒有氣隙時(shí)，剩余磁感應(yīng)與殘留磁感應(yīng)是相同的。有氣隙時(shí)，剩余磁感應(yīng)臂殘留磁感應(yīng)要小。剩余磁感應(yīng)以高斯為單位。

殘留磁感應(yīng) (Br)：當(dāng)足以使磁料飽和的磁化力降至 0 時(shí)，磁料的閉合磁電路中殘余的磁通量密度。剩余磁感應(yīng)以高斯為單位。

側(cè)滑式：霍爾傳感器 IC 的運(yùn)動(dòng)方式。當(dāng)一個(gè)永久磁體以橫向運(yùn)動(dòng)通過封裝表面時(shí)，磁場(chǎng)將增強(qiáng)金額減弱。

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

環(huán)形線圈：一種環(huán)狀的線圈，通常由鐵、鋼或鐵氧體組成。

有效總氣隙 (TEAG)：從磁極面到霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的有效面積的距離。

單極：霍爾傳感器 IC 使用單個(gè)磁極的工作方法，通常使用磁南極。

葉片：任何用于使磁場(chǎng)從霍爾傳感器 IC 轉(zhuǎn)向的鐵質(zhì)金屬（至少為相關(guān)磁體的 1.5 倍寬）。

開口：在葉片中至少為相關(guān)磁體 1.5 倍寬的開口。

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