霍尔元件类型_霍尔元件型号识别[通俗易懂]

霍尔元件类型_霍尔元件型号识别[通俗易懂]霍尔元器件与其他半导体元器件的特性不同,它的电流、电压性能对磁场特别敏感,在检测磁场方面具有独特的作用


霍尔元器件与其他半导体元器件的特性不同,它的电流、电压性能对磁场特别敏感,在检测磁场方面具有独特的作用。因此霍尔元件得到了广泛应用。

1. 霍尔元件的结构与特点

1.1 霍尔元件的组成结构

采用半导体制造工艺,将半导体材料制成薄薄的方片,然后在四周垂面安装4 个电极,再进行封装就制成一个霍尔元件,如图
在这里插入图片描述
图中半导体薄片是霍尔元件的主体, 4 个电极分别称做霍尔元件的电极①、电极②、电极③、电极④。其中,电极①、②称为一对电极,电极③、④为另一对对应电极。

1.2 霍尔元件的霍尔效应

霍尔元件的显著特点是具有霍尔效应,随着科学技术的不断发展,人们对半导体进行过多种实验研究。

从中发现,当把半导体薄片放在磁场中,让磁场和薄片平面垂直,在半导体薄片对应两侧通以电流时,就能在另外两侧产生电势。这一特性可用下图说明。

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将半导体薄片置于磁场B中,并在电极①、电极②加上电源E,半导体薄片中就导通电流Ig,然后在与电流方向垂直又和磁场方向垂直的电极③、电极④上检测电压,可看到表针摆动,这表明电极③、电极④间有电势 EH产生。这个物理现象称为霍尔效应,产生的 EH称为霍尔电势。

霍尔效应不仅半导体材料有,金属材料也有,但半导体材料比金属材料中的霍尔效应显著一些,所以就用半导体材料来制作具有这一特性的器件,称为霍尔元件。

2. 霍尔元件的图形符号与型号

2.1 1.图形符号

霍尔元件的半导体是一个方形结构,两条电流电极与两条电势电极互相垂直,所以就将此结构作为霍尔元件的图形符号,如图
在这里插入图片描述
应用霍尔元件时,外加电压通常加在电极①和电极②上,便在电极③和电极④上产生电势。改变电极①、电极②外加电压的高低,可改变电极③、电极④产生电势的大小,电极①和电极②称为控制电流极,电极③和电极④称为霍尔电势极。

2.2 2.型号说明

随着电子工业的飞速发展,我国已生产了多种性能和用途不同的霍尔元件。

表中列出了HZ和HT两个系列霍尔元件的型号。
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霍尔元件的型号由三部分组成:
第一部分用汉语拼音字母表示霍尔元件;
第二部分也用拼音字母表示制作材料
第三部分用数字表示参数区别。

例如,“HZ–2”型霍尔元件中,第一部分“H”表示“霍尔元件”。第二部分“Z”表示材料是“锗”型半导体,取“锗”字第一个汉语拼音字母。第三部分“2”是“HZ”系列霍尔元件的细分种类,表示同一系列、不同种类霍尔元件的参数有区别。

3. 半导体霍尔效应的原理

3.1 半导体中的左手定则

我们知道,磁场中任何带电质点沿磁力线垂直方向运动,都要受到磁场力的作用。磁场方向(用 B 表示)、带电质点运动方向(用 S 表示)、质点受力方向(用 F 表示)三者存在着固定关系。如图所示,让磁场B垂直穿过左手掌心,四个手指所指的方向为电流I的方向,则大拇指所指的方向就为带电质点受力 F 的方向。这里重复左手定则,是为了正确认识霍尔元件的霍尔效应原理。
图7-2

3.2 P型半导体霍尔效应的原理

将上图(半导体中的左手定则)画为下图来分析P型半导体的霍尔效应。
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当P型半导体薄片放入磁场中,并在电极①、电极②加①端正②端负的电源电压,电极①、电极②便产生图7-5中所示方向的电流 Ig。P型半导体中导电质点是带正电荷的空穴,它的运动方向 S 与电流 Ig的方向相同,由电极①向电极②。根据左手定则可知,空穴受磁场力作用的方向是指向电极③的,空穴便向电极③运动,结果使电极③那边的空穴密度增大,电极④那边的空穴密度减小。这样,在电极③、电极④两端就形成了电位差,产生了电极④负、电极③正的电势 EH,就是霍尔电势。这就是P型半导体产生霍尔效应的原理。

霍尔电势 EH产生后,也对空穴产生作用力,力的方向是由电极③指向电极④。这一作用力将阻止空穴进一步向电极③运动。这样,空穴便受电势和磁场两个相反方向力的作用,当电极③的空穴累积到一定程度后,受到的两种作用力正好相等,达到稳定平衡状态,电极③的空穴密度不再增加,于是就在电极③、电极④两端形成大小不变的霍尔电势EH。

3.3 N型半导体霍尔效应的原理

如果所示磁场中是N型半导体薄片,在电极①、电极②加图中所示方向的电源电压后,电极①为正,电极②为负,便产生由电极①流向电极②的电流Ig,这样图7-2就可画为图:

在这里插入图片描述

由于N型半导体中导电质点是带负电荷的电子,电子运动方向 S与电流 Ig方向相反,是由电极②向电极①。根据左手定则,电子受磁场力作用方向是指向电极③,电子便大量向电极③那边运动,使电极③的电子密度增大,电极④的电子密度减小,即电极④那边空穴密度增大。于是电极③、电极④两端就形成了电位差,产生电极③负、电极④正的霍尔电势EH,如上图所示。这就是N型半导体产生霍尔效应的原理。

N型半导体产生电势 EH 后,又对电子产生一个作用力,方向是由电极③指向电极④(图中未画出这一方向),将阻止电子进一步向电极③运动。这样,电子就同时受到电势和磁场两个相反方向力的作用。因此,当电极③端的电子累积到一定数量后,就使两种作用力相等,达到稳定平衡状态,电极③端的电子密度就不再增加,于是电极③、电极④两端之间就形成一个大小不变的霍尔电势EH。

由上述可见,在磁场 B 和电流 Ig方向不变的情况下,N型半导体正好与P型半导体产生霍尔电势EH的方向相反。在半导体技术中,可根据这一特点来判断半导体材料是N型还是P型。

4. 霍尔元件的电势计算与工作条件

4.1 1.霍尔电势大小的计算

实验证明,霍尔电势EH的大小与电流Ig及磁场强度B成正比,即

EH=0.1KIgB

式中,K为霍尔常数或霍尔系数,大小与温度、半导体材料特性、尺寸等有关。

霍尔元件制成之后,再综合这些因素,霍尔常数K就为一个确定值,可从“半导体手册”中查出。Ig为两个控制极(电极①、电极②)导通的电流,单位为mA。B 为霍尔元件的磁感应强度,单位为mT[插图]。EH为霍尔元件产生的电势,单位为mV。

由上式可知,如果改变控制电流Ig或磁场强度B,或两者同时改变,就可改变霍尔电势EH。利用这些特性,可将霍尔元件应用在自动检测,自动控制等方面。

2.霍尔元件的工作条件

经上述分析,可初步了解霍尔元件的作用原理。

通俗地讲,霍尔元件在工作中必须符合两个条件:

❶ 必须在两个控制极加一定的电压,以产生一定的控制极电流

❷ 霍尔元件的半导体薄片必须感应到磁场

只有两个条件同时具备,霍尔元件才能产生和输出霍尔电势。两个条件缺一不可,否则霍尔元件就无霍尔电势输出。

5. 霍尔元件的参数

5.1 电阻参数

5.1.1 控制电流极内阻

霍尔元件控制极内阻,是指霍尔元件电极①、电极②之间的直流电阻值,常用 RI 表示,单位为Ω。这一参数与霍尔元件管芯的半导体几何尺寸有关,电极①、电极②的距离越小,RI就越大,反则,则RI越小;半导体薄片越薄,RI值越大,反则,则RI越小。

5.1.2 霍尔电势极内阻

霍尔元件电势极内阻,是指霍尔元件电极③、电极④之间的直流电阻,常用 RV表示,单位为Ω。这一参数也与霍尔元件管芯的半导体几何尺寸有关,电极③、电极④间的距离越长,RV越大,反之则越小;电极①、电极②间的距离越长,RV就越小,反之则越大;半导体薄片越薄,RV越大,反之则越小。霍尔元件芯片尺寸确定后,电势极内阻 RV就确定了。从表7-1中可以看出,每种霍尔元件的电势极内阻RV各具有一定数值。

从电势极内阻RV和控制极内阻RI的意义可知,这两项参数可以测量,如果测得的结果与表7-1中对应的参数值差异较大,就表明霍尔元件质量有问题,也可以说霍尔元件变质了或已经损坏了。可见,有了这两项参数,就能判断霍尔元件的好坏。

5.1.3 不等位电阻

霍尔元件的不等位电阻是霍尔元件的一种加工参数,常用 Ro 表示,单位为 Ω。这项参数与霍尔元件的材料纯度有关,与制造管子的加工精度有关,是指元件芯片中不同区域电阻的差异。一般在现代技术与设备下生产的霍尔元件,其不等位电阻参数Ro值都很小。

5.2 温度参数

5.2.1 霍尔电势温度系数

半导体元件都有共同的特性,就是工作时,电参数会随环境温度变化而改变。例如,温度变化时,管子极间电阻、导通电流会发生变化。霍尔元件的霍尔电势温度系数,是指温度每变化1℃所引起的霍尔电势的变化量,通常用霍尔电势温度系数αH来表示,单位为1/℃。实际中,这项参数是用百分数来表达的,即环境温度每变化1℃时,霍尔电势变化量与变化前总霍尔电势之比的百分数。

5.2.2 内阻温度系数

内阻温度系数的意义与霍尔电势温度系数的意义基本相似,都属温度引起参数变化,只不过是温度影响内阻变化。霍尔元件的内阻温度系数,常用βH表示,单位为1/℃。

内阻温度系数就是霍尔元件工作时,温度每变化1℃,内阻变化量占变化前总内阻的百分比。管子型号不同,内阻温度系数 βH一般不相同。不仅如此,内阻温度系数还有正负之分,如HZ–1型霍尔元件的内阻温度系数βH=0.5%,是正的;而HT–1型霍尔元件的内阻温度系数 βH=−0.5%,是负的。因此在实际中可根据内阻温度系数 βH,结合环境温度,正确选用内阻温度系数大小、正负都合适的霍尔元件。

5.2.3 3.工作温度

工作温度是任何半导体管都有的一项参数,对霍尔元件,是指工作的温度范围,超过这一范围,管子各项参数将会发生变化,甚至会被烧毁。所以,选用霍尔元件时一定要考虑环境温度,按工作温度参数应用。

5.3 其他参数

5.3.1 灵敏度

从前面的学习知道,霍尔元件产生的霍尔电势 EH,与控制极电流 Ig成正比,与它感应的磁场强度 B 成正比。霍尔元件导通多大电流、感应多大磁场、能够产生多大的霍尔电势,常用灵敏度这一参数来表达。灵敏度是指两个控制极导通1mA电流,并感应100mT磁场时,所产生的霍尔电势的值。不难理解,如果产生的霍尔电势 EH较大,则霍尔元件的灵敏度就高;产生的霍尔电势值EH就小,灵敏度就低。

5.3.2 最大工作电流

最大工作电流是指霍尔元件在工作中,控制电流极①、②两端之间能够导通的最大电流值,常用 IM表示,单位为mA。霍尔元件在应用中如果超过了最大工作电流参数值 IM,管子就会被损坏。这与其他半导体管最大电流参数的意义基本相同。

6. 霍尔开关的原理与应用

6.1 霍尔开关的实际应用

6.1.1 转速测量

下图是一个用霍尔开关组装成的转速测量器,永久磁铁可安装在自行车钢圈上,霍尔开关可固定在不转动的轴架上,并将霍尔开关的三根电极线接至计数器。适当调整霍尔开关磁感应面与永久磁铁的距离,就可对转动物体进行转速测量。

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霍尔开关需要的工作电源来自计数器。物体转动一周,霍尔开关就感应一次永久磁铁的磁场。此时霍尔开关从输出端送出一个脉冲电压,脉冲波形如图7-17所示。计数器得到一个脉冲时,就从显示屏上显示“1”;得到两个脉冲,就显示“2”。实际上,计数器就是一个累加器。由此可见,计数器上显示的数值,就是物体(自行车轮)转动的圈数。有了计数器上的圈数,有了手表上的计时,就可计算出转动物体的转速。

转速计数器很有实用价值,将它安装在汽车上还可以计算行程。例如,某汽车轮子周长为2m,计数器上显示轮子转了100000圈,那么汽车的行程就是2m×100000 = 200000m =200km。转速计数器若安装在绕线机上,则更加实用,既可免除计数的麻烦,又可避免计数中出现的错误,提高工作效率。

6.1.2 防盗控制

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电路由降压电容C1、稳压二极管VD1、整流二极管VD2、滤波电容C2组成的向霍尔开关供电的直流电源电路。

开关S闭合后,就给霍尔开关加上了5V的直流电压。霍尔开关没有感应到磁场时,输出端就输出高电压,触发晶闸管导通。220V电压便加在蜂鸣器上,蜂鸣器就发出很强的鸣笛声。当霍尔开关感应到磁场时,输出端就为低电压,晶闸管不被触发,蜂鸣器就不发出鸣笛声。

安装防盗器时,霍尔开关可安在门框上,电路盒装在墙上,永久磁铁装在门边。家中主人关门时可顺手闭合电源开关S。这时磁铁与霍尔开关靠得很近,霍尔开关就输出低电压不触发晶闸管。当有盗贼打开门之后,永久磁铁远离霍尔开关,霍尔开关便输出高电压触发晶闸管导通,蜂鸣器就发出很强的鸣笛声,这就是防盗器的工作原理。

6.1.3 水塔水位自动控制

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7. 应用霍尔开关的注意事项

霍尔开关用途很广泛,并正在日益扩展。例如,霍尔开关可用于高速冲床、复杂纹进模具的送切料、行程控制、家庭程控等。可测量旋转物体的转速,测量往复直线运动物体的运动频率,实现电器大电流过流保护控制等。

了解霍尔开关后,我们还可自行设计一些应用,如用霍尔开关的可控特点,将录音机设计为全自动停机。根据无触点磨损的特点,还可利用霍尔开关改造、替代电器中动作频繁的机械触点开关,例如,台式游戏机的手动机械开关,动作很频繁,极易损坏,若用霍尔开关替代,即可无磨损地长期使用。

霍尔开关在应用中应注意以下几点。

❶ 大多数霍尔开关的磁感应面在标有字符的平面上,应用中应保证磁力线垂直穿过霍尔开关的磁感应面。如果正常的霍尔开关在应用中出现不能触发的情况,可调换磁铁的极性或霍尔开关的磁感应面试一试,即能正常工作。

❷ 用霍尔开关设计应用电路时,一定要按参数选用,特别是工作的电源电压输出极最大耐压输出极最大电流等不能超越,否则容易损坏霍尔开关。

❸ 霍尔开关输出极负载电阻,可接在霍尔开关本身的电源上,也可接在被控制电路的电源上。阻值的选择,必须保证流过电阻的电流应小于输出极的最大输出电流,否则会因负载过重而损坏霍尔开关。同时,也应保证霍尔开关输出极电压小于它的反向电压参数,这样霍尔开关才能安全可靠地工作。

❹ 霍尔开关在应用中,它的三个电极一定不能安装错。


8. 霍尔选型

补充:霍尔开关选型——单极霍尔、双极霍尔、线性霍尔、全极霍尔

单极霍尔开关(Unipolar Hall) 需要指定一个磁极一般都是指定S极,当磁场靠近时霍尔导通输出低电平,磁场远离时霍尔关闭输出高电平,而另一磁极始终高电平。根据单极霍尔的这个特性,可以使用一个磁钢或者类似的磁场来进行各种应用比如:接近开关、无刷电机,转速检测、流量传感、无接触式定位等;

双极霍尔开关 (Bipolar Hall) 需要两个磁极分别控制高低电平,利用磁场NS极交替来输出信号。如S极靠近时输出低电平,N极靠近时输出高电平。双极霍尔有一种特殊形式叫锁存霍尔或锁定霍尔:如S极靠近时开启,磁场离开继续保持开启;当靠近N极时才会关闭,磁场移除后继续保持关闭状态,直到下次磁场改变,这种保持上次状态的特性即锁存特性,这种类型的霍尔就是双极锁存型霍尔;

线性霍尔开关(Linear Hall) 的输出电压与传过其本身的磁场强度成正比,根据磁场极性和强度其输出电压上升或下降 。通过磁场强度的变化可以得知出相应位置的改变数据,输出电压与感应到的磁场极性和强度的关系固定,主要用于位移检测,油门踏板、调速、压力传感,磁场检测,电流检测;

全极霍尔开关(Omni-polar Hall) 不分南极(S)北极(N)检测磁场,磁铁接近时输出低电平,远离时输出高电平,根据全极霍尔的特性多用于:智能三表,开关,手持设备等产品。注:请与双极霍尔区分,全极霍尔是NS磁场都能感应,而双极霍尔只能感应一个磁场,实现功能是采用NS交替。


霍尔开关知识补充(20231211 PM 21:5):

1.单极性霍尔 (Unipolar Hall)
用一个极性(S极或N极)来感应控制霍尔;正面感应S极,反面感应N极。

S极 靠近霍尔时,输出 低电平;
S极 远离霍尔时,输出 高电平

2.双极性霍尔 (Bipolar Hall)

双极性霍尔同时需要两个磁极分别控制高低电平;利用磁场SN极交替来输出信号。

S极 接近有标记的面(丝印面)时,霍尔输出导通 低电平,霍尔S极撤离后,输出保持 导通状态(低电平);

N极 接近有标记的面(丝印面)时,霍尔输出截止 高电平,霍尔N极撤离后,输出 保持 截止状态(高电平)。

3.全极性霍尔 (Omni-polar Hall)

全极性霍尔开关,又叫做无极性霍尔。

全极性霍尔不分南北极(S/N极)检测磁场。

磁铁接时输出低电平离时输出高电平

任何一个磁极面向标记面(丝印面),且施加的磁感应强度超过工作点输出导通,输出由高变低;

当磁感应强度减弱低于释放点时,输出高端,输出由低变高。


资料下载

  • 【CSDN】汇总:霍尔元件规格书(2023.11.04)

1.Honeywell(霍尼韦尔) SS41F/SS41G 电压4.5 Vdc to 24
2.Allegro(埃戈罗) A1220/ A1221/ A1222/A1223 电压3 to 24 V
3.Micronas(微科/微开) HAL1502 电压 2.7 V to 24 V
4.TI(德州仪器 ) DRV5053 (线性霍尔 0V 至 2V 模拟输出) 电压 2.5V to 38V
国产:
1.MagnTek(麦歌恩) MT8381A To-92 电压3.8~60V
2.MagnTek(麦歌恩) MT836x SOT-23 电压3.8~60V
3.越尔兴科技 YS1442/YS2442 To-92 电压2.5~24V

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DRV5053 器件是一个斩波稳定霍尔 IC,可提供在温度
范围内具有出色灵敏度稳定性和集成保护特性的磁感应
解决方案,以及集成保护特性。
0V 至 2V 模拟输出可对施加的磁通密度做出线性响
应,并且能够辨别磁场方向的极性。该器件具有 2.5V
至 38V 的宽工作电压范围,反极性保护高达 –22V,
因此适用于各种工业和消费类应用。
在这里插入图片描述


参考资料

  • [1] 《元器件易学通:常用器件手册》·龚华生编

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