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回答常見的傳感器 IC 技術(shù)問題，例如“什么是霍爾效應(yīng)？”

Allegro MicroSystems 公司將最先進的集成電路技術(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。這些無觸點的磁觸發(fā)開關(guān)與傳感器 IC 不僅能簡化電氣和機械系統(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

• 平面和垂直霍爾元件

• 環(huán)形磁體的詳細分析

• 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

• 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

• 工作點的溫度穩(wěn)定性

• 計算靜止角和工作周期變化

• 軸承磨損的影響

• 固定裝置好壞也會影響穩(wěn)定性

• 正交

• 優(yōu)化舉措

• 單獨校準(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

• 高級應(yīng)用

• 限流與測流傳感器 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 的強項。霍爾效應(yīng) IC 開關(guān)在單個集成電路芯片中融合了霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、施密特觸發(fā)電路和晶體管輸出電路。其輸出干凈、迅速且不會發(fā)生開關(guān)跳躍（機械開關(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，而且比普通的電動機械開關(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電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場強度中的運動、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。 

應(yīng)用

霍爾效應(yīng) IC 目前可用于點火系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、測微計、機械極限開關(guān)、計算機、打印機、磁盤驅(qū)動器、鍵盤、機床、鑰匙開關(guān)和按鈕開關(guān)。它們還能用于轉(zhuǎn)速計取樣、限流開關(guān)、位置檢測器、選擇器開關(guān)、電流傳感器、線性電位計、旋轉(zhuǎn)編碼器和無刷直流電機整流器。

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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，會在半導(dǎo)體片材內(nèi)流動。輸出電壓 V_HALL 可沿片材的寬度方向測量。在無磁場的情況下，V_HALL 的數(shù)值可以忽略。

圖 2。無磁場時的 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）的磁場中，電壓輸出的變化會與磁場強度成正比。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，請訪問：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，觸發(fā)器會準(zhǔn)確地將關(guān)閉狀態(tài)切換成開啟狀態(tài)，而不必出現(xiàn)觸點顫動。內(nèi)置磁滯會產(chǎn)生一個磁盲區(qū)，在經(jīng)過閾值后，該區(qū)域中的開關(guān)動作會禁用，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。場效應(yīng)管是一種飽和開關(guān)，它會在施加的磁通量密度大于器件開啟跳變點的地方，對輸出終端進行接地短路。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)動多種負載，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)。

磁場有兩個重要特性：磁通量密度 B（主要指磁場強度）和磁場極性（磁北極或磁南極）。對霍爾效應(yīng)器件而言，與其有源區(qū)相關(guān)的磁場方向也很重要。霍爾效應(yīng)器件的有效面積（霍爾元件）埋置在硅片上，該硅片與封裝的一個特定面平行并略靠近其內(nèi)部。該表面也被稱為標(biāo)記面，因為它通常是標(biāo)記型號的一面（每個器件的數(shù)據(jù)表都會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有效面積（平面霍爾元件的印記面或垂直霍爾元件的感應(yīng)邊緣），而且必須在橫越時具有正確的極性。因為有效面積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。

在無磁場的情況下，大多數(shù)霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)都會關(guān)閉（輸出開路）。只有存在有足夠磁通量密度的磁場，并且沿正確的方向具有正確的極性時，這些開關(guān)才會開啟。例如，磁南極靠近印記面會執(zhí)行開關(guān)動作，而磁北極不會產(chǎn)生任何影響。在應(yīng)用中，將一小塊永久磁體的磁南極靠近平面霍爾開關(guān)的印記面或垂直霍爾開關(guān)的感應(yīng)邊緣（參閱圖 8）會使輸出晶體管開啟。磁體從任意方向接近時，3D 霍爾開關(guān)的輸出將打開。

圖 8。磁體相對于器件有效面積的平面和中心線的運動，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)符號約定，即增加的正值 B 表示增強的南極磁場，增加的負值 B 表示增強的北極磁場。例如，+200 B 磁場和 –200 B 磁場的強度相同，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 (0 G) 的情況下，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，在外部上拉電阻器的作用下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（平面霍爾元件）或感應(yīng)邊緣（垂直霍爾元件）時，霍爾元件會暴露在逐漸增強的正磁通量密度下。當(dāng)磁場強度達到臨界點（本例中為 240 G）時，輸出晶體管會啟動，輸出電壓達到 0 V。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 工作點，B_OP。繼續(xù)提高磁場強度不會產(chǎn)生影響；開關(guān)已經(jīng)打開，并會一直保持開啟。應(yīng)用到霍爾效應(yīng)傳感器的磁場強度沒有上限。

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)值遠低于 240 G 工作點（此類圖表有時被稱為磁滯圖表）。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，器件會關(guān)閉。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 釋放點，B_RP。

圖 10。逐漸遠離的磁南極產(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)，需要增加一個電源和負載電阻，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)移特性圖表的測試電路

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特性與公差

啟動和關(guān)閉霍爾開關(guān)所需的準(zhǔn)確磁通量密度值會因多種因素的影響而不同，其中包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和制造公差。極端溫度條件也會對工作狀態(tài)和釋放點產(chǎn)生一定程度的影響，經(jīng)常也被稱為開關(guān)閾值或開關(guān)點。

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

必須保證達到或低于最大工作點磁通量密度時，所有開關(guān)都會開啟。當(dāng)磁場減弱時，所有器件都會在磁通量密度降至最小釋放點數(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，而且只會在每次閾交時進行，即使在機械振動或電氣噪聲環(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)計應(yīng)從物理方面開始。在位置感應(yīng)或運動感應(yīng)應(yīng)用中，應(yīng)回答下列問題：

• 有多少種什么類型的運動？

• 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？

• 移動組件的運動范圍是多少？

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

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

• 預(yù)計的溫度極限是多少？

仔細分析一定會讓您受益匪淺。

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分析

要對磁體的磁場強度進行研究。磁場的強度在極面上應(yīng)該是最強的，而且將隨著與磁體之間距離的增大而減弱。利用高斯計或校準(zhǔn)的線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可測量磁場的強度，磁場強度分布也是沿設(shè)計的磁體運動直線距離的函數(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 表示的工作點和釋放點適用于數(shù)字器件）可用于確定一種磁體和運動類型的關(guān)鍵距離。請注意，這些磁場強度分布不是線性的，而且磁通量密度曲線的形狀很大程度上取決于磁體形狀、磁電路和磁體的運動路徑。

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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/邊緣下方的霍爾元件的深度）與氣隙（AG，即封裝面與磁體或目標(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，會導(dǎo)致磁通量密度明顯增加。其實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，以及封裝本身對磁信號強度影響的示例（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，也會有多種可能的移動路徑。磁極可沿垂直方向向平面霍爾元件的印記面或垂直霍爾元件的感應(yīng)邊緣移動。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)向運動的影響。設(shè)計人員應(yīng)注意，如果發(fā)生碰撞，過度的機械拉伸可能對霍爾器件的環(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或器件封裝的感應(yīng)邊緣，沿霍爾器件左右移動。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。指定氣隙是因為它有明顯的機械重要性，但需要牢記的是，在進行與磁通量密度有關(guān)的計算時，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)生過度機械拉伸時避免接觸。與迎面工作模式相比，在精心設(shè)計的側(cè)滑磁路中使用強磁體和/或鐵質(zhì)通量集中器不僅能提高傳感精度，還能縮短磁體的運動距離。

圖 13。側(cè)滑工作模式的實例，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，但他們通常不會描述側(cè)滑工作模式的特性，這可能因為氣隙選擇不同，從而會導(dǎo)致這些曲線數(shù)量的不確定。然而一旦選定了一個氣隙，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（單個點）

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大斜率與高磁通量密度

對線性霍爾效應(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。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)用中實現(xiàn)一致的開關(guān)動作，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)工作點的磁通量密度是 200 G 時，在兩種情況下，只有距離達到約 3.6 mm，數(shù)字霍爾效應(yīng)器件才會開啟。如果制造公差或溫度影響使工作點變?yōu)?300 G，曲線 A（大斜率）中開關(guān)動作開始時的距離變化不大。但在曲線 B 中，距離變化非常顯著。釋放點（未顯示）也會受到同樣的影響。可以對本例中說明的基本原理進行修改，使其包括機械器件和設(shè)備規(guī)格公差，這些原理也可用于最壞情況的設(shè)計分析。此過程的實例將在后面部分闡釋。

圖 14。側(cè)滑工作模式的實例，兩種不同的有效總氣隙的影響對比

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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)器件之間放一個鐵磁板或葉片（如圖 15 所示），葉片就會形成一個磁分路，導(dǎo)致磁場能量從霍爾器件上轉(zhuǎn)向。

圖 15。葉片斷續(xù)器的工作實例：（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元件，這樣就能消除對準(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，進行線性移動或回轉(zhuǎn)運動。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)的輸出級是一個常用的開極 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。某些數(shù)字霍爾器件尤其是微功率器件可能有使用 MOSFET 器件創(chuàng)建的推挽式輸出級。這些器件不需要外部上拉電阻器。具體信息，請參閱器件數(shù)據(jù)表。

當(dāng)三極管關(guān)閉時，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，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，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)) 將會增加，從而獲得較高的輸出電流值。確認該電壓與要控制的電路的關(guān)閉（或“邏輯低”）電壓相一致。某些數(shù)字霍爾傳感器（例如針對汽車應(yīng)用的傳感器）設(shè)有內(nèi)置限流功能，用于保護輸出級。具體信息，請參閱器件數(shù)據(jù)表。

霍爾效應(yīng)器件的開關(guān)非常快，其上升和下降時間通常在 400 毫微秒范圍內(nèi)。這是少有的顯著優(yōu)勢，因為開關(guān)時間幾乎全部由反應(yīng)更慢的機械部件控制。

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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。它能使后面的詳細說明更易于理解。

圖 17。具有集電極開路輸出級的霍爾效應(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適用的電源和負載電阻。

采用消耗電流的邏輯系列電路時，如 DTL 或流行的 7400 TTL 系列（圖18 A），霍爾開關(guān)在開啟時，只須消耗常見電路一個單位負載的電流（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，只有負載電阻上有電流通過（此例中約為 0.2 mA）。

圖 18A。TTL 邏輯接口

圖 18B。CMOS 邏輯接口

通常，需要灌電流最高為 20 mA 的負載能直接由霍爾開關(guān)驅(qū)動。

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

(12 V - 1.4 V) / 0.02 A = 530 Ω

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)動的小 (≤20 mA) 灌電流負載的實例

灌電流超過 20 mA 需要使用電流放大器。例如，如果需要 4 A 開關(guān)特定負載，而且必須在觸發(fā)磁體靠近時開啟，可使用圖 20 所示的電路。

圖 20。驅(qū)動中等 (>20 mA) 灌電流負載的實例

當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉（磁通量不足以使其工作）時，約 12 mA 的基極電流會通過 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，以使負載保持關(guān)閉。當(dāng)磁體靠近霍爾開關(guān)時，它會開啟，并對 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，該電流足以在負載電流為 4 A 或更小時使其飽和。

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)提供負載電流。例如，圖 21 顯示了使用繼電器開啟 115 或 230 VAC 負載時，在“開啟”狀態(tài)提供電流的實例。

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，以在“開啟”狀態(tài)觸發(fā)，此時高壓觸點會關(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)動應(yīng)用

當(dāng)霍爾開關(guān)開啟時，9 mA 的基極電流會從 PNP 晶體管的基極流出，從而能使其飽和，并允許其驅(qū)動足夠的電流以觸發(fā)繼電器。當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉時，不會有基極電流從 PNP 三極管流出，所以三極管會關(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)負載電阻，以在霍爾開關(guān)禁用時，使其保持關(guān)閉狀態(tài)。沿繼電器線圈放有一個續(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。這提供了一種相對安全的方式，以利用低壓 DC 電路開關(guān)高壓 AC 負載。像以前一樣，在處理 AC 線電壓時，必須非常小心，而且要采取適當(dāng)?shù)陌踩雷o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)過磁南極時都會被觸發(fā)（圖 22 A 部分）。如果在每次旋轉(zhuǎn)時需要多次觸發(fā)，有時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（參閱廉價替代選項部分）。

圖 22.轉(zhuǎn)子的典型配置：(A) 磁葉片 和 (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)子的每個鐵葉片通過時，會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 個磁極對。在尺寸和磁極數(shù)一定的情況下，磁極呈軸心對稱分布的環(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）。制造商通常都會提供現(xiàn)貨尺寸和磁極對的選項。也可選擇專門定制，但這樣會增加成本。

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，其磁場強度的變化最小，但同時成本也最高。由于它們非常堅硬，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，其磁場強度的變化很大。但它們的成本較低，而且具有很強的抵御外部磁場消磁的能力。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，如果需要進行再成形或修整，必須對其進行打磨。它們可能需要一個支撐柄軸，以減少機械應(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 號基本相同，但其很軟，因此采用常規(guī)方法就能對其塑形。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，而且其磁場相對于溫度的變化程度比 Alnico 或陶瓷 1 號要高得多。

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)，而實際測得的誤差為 ±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 ±30% 的情況。

圖 24 是直徑 25.4 mm 的典型 4 磁極對陶瓷環(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強度的變化。

圖 24。環(huán)形磁體的磁通量特性

對環(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。重要的一點是，應(yīng)使有效總氣隙 (TEAG) 保持最小，因為在很多常見的環(huán)形磁體中，霍爾作業(yè)區(qū)的磁通量密度每毫米會降低 200 至 240 G。圖 25 中清楚地顯示了這點，這是在典型的 20 磁極對的塑料環(huán)形磁體中，磁極的磁通量密度隨 TEAG 變化的曲線圖。

圖 25。窄極距對磁信號強度影響的實例

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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，但個別器件的開關(guān)點發(fā)生在相對偏正極或偏負極的范圍內(nèi)。因為磁場極性的交替確保了開關(guān)點的切換，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)致所需的磁信號幅度 ΔB 最小，但磁場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)的實例是一個最大工作點 B_OP（最大）45 G、最小釋放點 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 B_OP（最小）可低至 –25 G，最大釋放點 B_RP（最大）可增至 30 G。圖 26A 顯示了具有這些開關(guān)點的假設(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)點完全在正極（南極）范圍內(nèi)，“負單極模式”開關(guān)的開關(guān)點完全在負極（北極）范圍內(nèi)，“鎖存模式”開關(guān)的開關(guān)點會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，對于每種可能性，輸出的工作循環(huán)都完全不同，但每個磁極交替處的一致開關(guān)很可靠。

圖 26A。一個雙極開關(guān)可能的開關(guān)點范圍實例（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）靠近時工作（打開）。當(dāng)磁南極移開（磁通量密度接近 0）時，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。釋放點的磁通量密度變得不再重要，因為如果霍爾開關(guān)在磁通量趨于 0（已通過南極）時沒有關(guān)閉，當(dāng)緊隨的北極使磁通量變?yōu)樨摃r，它一定會關(guān)閉。雙極霍爾開關(guān)利用這個額外的釋放點磁通量余量來實現(xiàn)更低的工作點通量密度，在環(huán)形磁鐵應(yīng)用中，這是一個明顯的優(yōu)勢。

要查看 Allegro 雙極開關(guān)的最新產(chǎn)品列表，請訪問：霍爾效應(yīng)鎖存與雙極開關(guān)。

雙極數(shù)字開關(guān)設(shè)計實例

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)（必要的機械間隙）為 0.76 mm，

• 工作溫度范圍：–20°C 至 85°C，

• 最大工作點 B_OP 200 G（從 –20°C 至 85°C），

• 最小釋放點 B_RP –200 G（從 –20°C 至 85°C）。

1. 計算有效總氣隙 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)計實踐需要增加額外的磁通量，以提供一些余量，以應(yīng)對老化、機械磨損和其他無法衡量的情況。如果要增加 100 G 合理的數(shù)值所需的磁體必須在整個工作溫度范圍內(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。雙極鎖存特性的實例（用于精確控制工作循環(huán)、磁極交替）

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