霍尔效应的工作原理

霍尔效应在应用技术中特别重要。如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电流(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

霍尔效应IC，这些无触点的磁触发开关与传感器 IC 不仅能简化电气和机械系统，还能提高系统的性能。

低成本简化开关

高效、精确、低成本的线性传感器 IC

适用于恶劣工作环境的敏感电路

应用

霍尔效应：工作原理？

线性输出霍尔效应器件

数字输出霍尔效应开关

工作状态

特性与公差

低成本简化开关

简化开关是霍尔传感器 IC 的强项。霍尔效应 IC 开关在单个集成电路芯片中融合了霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发电路和晶体管输出电路。其输出干净、迅速且不会发生开关跳跃（机械开关的固有问题）。霍尔开关通常以最高 100 kHz 的重复频率工作，而且比普通的电动机械开关的成本要少很多。

高效、精确、低成本的线性传感器 IC

线性霍尔效应传感器采用磁偏探测电磁体、永久磁体或铁磁体的磁场强度中的运动、位置或变化。能耗极低。输出是线性的，而且温度稳定。传感器 IC 的频率响应平直，最高约为 25 kHz。

与电感或光电子传感器相比，霍尔效应传感器 IC 更高效、更精确，成本也更低。

适用于恶劣工作环境的敏感电路

霍尔效应传感器 IC 能有效抵御环境中的有害物质，所以适用于在环境恶劣的条件下工作。这种电路非常灵敏，并能在紧公差应用中提供可靠、重复的操作。 

应用

霍尔效应 IC 目前可用于点火系统、速度控制系统、安全系统、校正系统、测微计、机械极限开关、计算机、打印机、磁盘驱动器、键盘、机床、钥匙开关和按钮开关。它们还能用于转速计取样、限流开关、位置检测器、选择器开关、电流传感器、线性电位计、旋转编码器和无刷直流电机整流器。

霍尔效应：工作原理？

基本霍尔元件是一小片半导体材料，也称霍尔元件或有效面积，如图 1 所示。

图 1.霍尔效应器件的有效面积原理图，其中霍尔元件由标有 X 的组件表示。

图 2 所示的恒压电源产生的恒定偏置电流，即 IBIAS，会在半导体片材内流动。输出电压 VHALL 可沿片材的宽度方向测量。在无磁场的情况下，VHALL 的数值可以忽略。

图 2。无磁场时的 VHALL

如果将偏压霍尔元件放在通量线与偏置电流垂直（参阅图 3）的磁场中，电压输出的变化会与磁场强度成正比。这就是在霍尔 (E. F. Hall) 于 1879 年发现的霍尔效应。

图 3。与偏置电流垂直的磁通量（绿色箭头）产生的霍尔效应（感应 VHALL）。

线性输出霍尔效应器件

基本霍尔元件的输出电压很小。这会产生问题，特别是在电气噪声环境中。在电路中添加一个稳定的优质 DC 放大器和电压调整器（参阅图 4 和 图 5）不仅能有效改善传感器输出，还能允许霍尔效应器件在更广的电压范围内工作。改造后的器件能提供易于使用的模拟输出，这种线性输出与应用的磁通量密度成比例。

图 4。带 VHALL 放大的霍尔电路

图 5。具有电压调整器和 DC 放大器的霍尔效应器件

数字输出霍尔效应开关

增加内置磁滞的施密特触发阈值检测器，如图 6 所示，能使霍尔效应电路具备数字输出功能。当施加的磁通量密度超过一定限制时，触发器会准确地将关闭状态切换成开启状态，而不必出现触点颤动。内置磁滞会产生一个磁盲区，在经过阈值后，该区域中的开关动作会禁用，从而能消除振荡（乱真输出开关）。

图 6。具有数字输出功能的霍尔电路

为电路增加集电极开路 NPN 或 N 沟道场效应 (NFET) 晶体管（参阅图 7），能使开关具备数字逻辑兼容功能。场效应管是一种饱和开关，它会在施加的磁通量密度大于器件开启跳变点的地方，对输出终端进行接地短路。开关能兼容所有数字产品系列。输出晶体管能吸收足够的电流，以直接驱动多种负载，包括继电器、三端双向晶闸管、可控硅整流器 (SCR) 和灯具。

图 7。霍尔开关的常用电路元件

图 7 所示的电路元件焊装在单晶硅片上，并在小型环氧或陶瓷封装内密封压制，它们是所有霍尔效应数字开关的常用电路元件。霍尔效应器件类型之间的区别主要是规格的差异，如磁力性参数、工作温度范围和温度系数。

工作状态

所有霍尔效应器件均由磁场激活。必须为器件安装底座并提供电气连接。包括加载电流、环境条件和电源电压必须在数据表所示的极限范围内。

磁场有两个重要特性：磁通量密度 B（主要指磁场强度）和磁场极性（磁北极或磁南极）。对霍尔效应器件而言，与其有源区相关的磁场方向也很重要。霍尔效应器件的有效面积（霍尔元件）埋置在硅片上，该硅片与封装的一个特定面平行并略靠近其内部。该表面也被称为标记面，因为它通常是标记型号的一面（每个器件的数据表都会显示距离印记面的有效面积深度）。为使开关以最佳状态工作，必须保证磁通量线以垂直方式横越有效面积（平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘），而且必须在横越时具有正确的极性。因为有效面积更靠近封装包背部的印记面，并暴露在硅片的印记面一侧，所以采用这种朝向能产生更清晰的信号。

在无磁场的情况下，大多数霍尔效应数字开关都会关闭（输出开路）。只有存在有足够磁通量密度的磁场，并且沿正确的方向具有正确的极性时，这些开关才会开启。例如，磁南极靠近印记面会执行开关动作，而磁北极不会产生任何影响。在应用中，将一小块永久磁体的磁南极靠近平面霍尔开关的印记面或垂直霍尔开关的感应边缘（参阅图 8）会使输出晶体管开启。磁体从任意方向接近时，3D 霍尔开关的输出将打开。

图 8。磁体相对于器件有效面积的平面和中心线的运动，使霍尔效应器件开始工作

可使用转移特性曲线，以图表形式阐释该原理。图 9 和图 10 显示了随霍尔元件中存在的磁通量密度 B（单位：高斯 (G)；1 G = 0.1 mT）变化的输出电压。横轴显示的是磁通量密度。纵轴显示的是霍尔开关的数字输出。注意，此处应用了代数符号约定，即增加的正值 B 表示增强的南极磁场，增加的负值 B 表示增强的北极磁场。例如，+200 B 磁场和 –200 B 磁场的强度相同，但具有相反的极性（分别是磁南极与磁北极）。

如图 9 所示，在无磁场 (0 G) 的情况下，开关处于关闭状态，在外部上拉电阻器的作用下输出电压等于电源电压 (12 V)。然后使永久磁体的磁南极沿垂直方向靠近器件的有效面积。当磁南极靠近开关的印记面（平面霍尔元件）或感应边缘（垂直霍尔元件）时，霍尔元件会暴露在逐渐增强的正磁通量密度下。当磁场强度达到临界点（本例中为 240 G）时，输出晶体管会启动，输出电压达到 0 V。磁通量密度的该数值被称为 工作点，BOP。继续提高磁场强度不会产生影响；开关已经打开，并会一直保持开启。应用到霍尔效应传感器的磁场强度没有上限。

图 9。逐渐靠近的磁南极产生的磁通量不断增大，从而激活了霍尔开关的转移特性（开启）

由于内置磁滞的作用，因此要关闭开关，必须使磁通量密度的数值远低于 240 G 工作点（此类图表有时被称为磁滞图表）。在本例中，我们使用 90 G 磁滞，也就是说，当磁通量密度减小到 150 G（图 10）时，器件会关闭。磁通量密度的该数值被称为 释放点，BRP。

图 10。逐渐远离的磁南极产生的磁通量不断减小，从而停用霍尔开关的转移特性（关闭）

为从该图中获取数据，需要增加一个电源和负载电阻，以限制通过输出晶体管的电流，并使输出电压的数值接近 0 V（参阅图 11）。

图 11。转移特性图表的测试电路

特性与公差

启动和关闭霍尔开关所需的准确磁通量密度值会因多种因素的影响而不同，其中包括设计标准和制造公差。极端温度条件也会对工作状态和释放点产生一定程度的影响，经常也被称为开关阈值或开关点。

数据表提供了与每种器件类型的工作点、释放点数值和磁滞相对应的最坏情况下的磁特性。

必须保证达到或低于最大工作点磁通量密度时，所有开关都会开启。当磁场减弱时，所有器件都会在磁通量密度降至最小释放点数值以下前关闭。必须保证每种器件都保留最少量的磁滞，以确保开关动作清楚准确。这种磁滞能确保开关输出迅速、准确，而且只会在每次阈交时进行，即使在机械振动或电气噪声环境下也是如此。

审核编辑：汤梓红