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

• 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(diǎn)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

• 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(qiáng)項(xiàng)。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(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電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場強(qiáng)度中的運(yùn)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。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)、測微計、機(jī)械極限開關(guān)、計算機(jī)、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、鍵盤、機(jī)床、鑰匙開關(guān)和按鈕開關(guān)。它們還能用于轉(zhuǎn)速計取樣、限流開關(guān)、位置檢測器、選擇器開關(guān)、電流傳感器 IC、線性電位計和無刷直流電機(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(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?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(diǎn)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(diǎn)的地方，對輸出終端進(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(qiáng)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，該硅片與封裝包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?yàn)樗ǔＪ菢?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印記面（并通過有效面積），而且必須在橫越時具有正確的極性。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。

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）會使輸出晶體管開啟。

圖 8.磁體相對于器件有效面積的平面和中心線的運(yùn)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(qiáng)的南極磁場，增加的負(fù)值 B 表示增強(qiáng)的北極磁場。例如，+200 B 磁場和 –200 B 磁場的強(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 (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，霍爾元件會暴露在逐漸增強(qiáng)的正磁通量密度下。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)（本例中為 240 G）時，輸出晶體管會啟動，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)增大磁場強(qiáng)度，如達(dá)到 600 G 時，不會有任何變化。開關(guān)已經(jīng)打開，并會一直保持開啟。

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(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(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，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(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(jìn)行，即使在機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)械磨損程度？

• 產(chǎn)品將會是批量生產(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)計的溫度極限是多少？

仔細(xì)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(qiáng)度進(jìn)行研究。磁場的強(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。利用高斯計或校準(zhǔn)的線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可測量磁場的強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度分布也是沿設(shè)計的磁體運(yùn)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(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)動類型的關(guān)鍵距離。請注意，這些磁場強(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(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，以及封裝本身對磁信號強(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，也會有多種可能的移動路徑。磁極可沿垂直方向向霍爾器件的印記面移動。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(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)動的影響。設(shè)計人員應(yīng)注意，如果發(fā)生碰撞，過度的機(jī)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，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?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(jī)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(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?yàn)闅庀哆x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(diǎn)）

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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(shí)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(diǎn)的磁通量密度是 200 G 時，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(diǎn)（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(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(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(jìn)行線性移動或回轉(zhuǎn)運(yùn)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(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)的輸出級是一個簡單的開極 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，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。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，其上升和下降時間通常在 400 毫微秒范圍內(nèi)。這是少有的顯著優(yōu)勢，因?yàn)殚_關(guān)時間幾乎全部由反應(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。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(fù)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(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。

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 = 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)磁體靠近時開啟，可使用圖 20 所示的電路。

圖 20.驅(qū)動中等 (>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，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(fù)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(fù)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(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，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，以在“開啟”狀態(tài)觸發(fā)，此時高壓觸點(diǎn)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(fù)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(fù)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(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(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(xiàng)。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(qiáng)度的變化最小，但同時成本也最高。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(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，必須對其進(jìn)行打磨。它們可能需要一個支撐柄軸，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(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(qiáng)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(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(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，但個別器件的開關(guān)點(diǎn)發(fā)生在相對偏正極或偏負(fù)極的范圍內(nèi)。因?yàn)榇艌鰳O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(shí)例是一個最大工作點(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(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(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）時沒有關(guān)閉，當(dāng)緊隨的北極使磁通量變?yōu)樨?fù)時，它一定會關(guān)閉。雙極霍爾開關(guān)利用這個額外的釋放點(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，這是一個明顯的優(yōu)勢。

要查看 Allegro 雙極開關(guān)的最新產(chǎn)品列表，請?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(shí)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(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(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?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)考慮一個陶瓷 1 號環(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 時的每個磁南極的磁通量密度應(yīng)為 300 G + 36 G = 336G。

對于磁北極的要求可采用相同的步驟。如果磁體要在 +85°C 時提供每個磁南極 300 G 和每個磁北極 -300 G 的磁通量密度，由于溫度系數(shù)為負(fù)，其在 -20°C 時將在每個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)動能承受扭矩增加的需要，那么可以考慮使用一個磁通量集中器。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)計能產(chǎn)生令人稱奇的出色效果。橡膠和塑料磁體入庫時按片保存。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.作為廉價環(huán)形磁體的橡膠磁體的布局實(shí)例

圖 28.廉價環(huán)形磁體的尼龍?zhí)坠軐?shí)例

最后，將一個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，主要是一個具有軸對稱磁極的環(huán)形磁體。

圖 29.廉價環(huán)形磁體組件的實(shí)例

對霍爾開關(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間能靈活調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子，因此可用作計時凸輪。圖 30 顯示了能調(diào)至 180° 開，再調(diào)至 180° 關(guān)的凸輪計時器。

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，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 既定時的磁通量密度（請記住在間隙數(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

• 材料對工作環(huán)境的容限（溫度、化學(xué)溶劑和電勢）

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 個而非 20 個磁極對（注意磁通量密度的增加值）。圖 32 顯示了只有一個磁極對的 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比

圖 32.Alinco 8 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙的對比

圖 33 顯示了有三個磁極對的陶瓷 1 環(huán)形磁體的曲線。圖 34 顯示了有四個磁極對的陶瓷 1 環(huán)形磁體的曲線（使用和未使用磁通量集中器時）我們一直建議對環(huán)形磁體進(jìn)行到貨檢查。通過使用市場上可購得的高斯計或固定在便攜測試器件上的經(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比

圖 34.陶瓷 1 環(huán)形磁體的磁通量密度與氣隙對比，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，單個磁體將使一個霍爾開關(guān)保持開啟，只有當(dāng)一個轉(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，它才會關(guān)閉。由于能消除環(huán)形磁體的變化、位置和磁場強(qiáng)度的影響，所以使用單個磁體能確保進(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)閉和打開時間，使設(shè)計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，大量的磁通量將被阻擋或轉(zhuǎn)向。水平方向上的較小振動對切換點(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齊的。位置是從葉片的前沿到磁體/霍爾器件的中心線測量的。

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，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，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，葉片會擋住磁體，此時的磁通量密度最小。當(dāng)葉片繼續(xù)移動時，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)動不會對霍爾元件處的磁通量密度產(chǎn)生任何影響。

由于存在磁場，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，它會一直保持關(guān)閉。記住，對于該特定霍爾開關(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)的時段長度（從霍爾開關(guān)釋放點(diǎn)到下個工作點(diǎn)的時間）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

兩種常見的轉(zhuǎn)子設(shè)計為碟形和杯形，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。雖然葉片激活開關(guān)能允許這種運(yùn)動，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，但它只需處理一個徑向距離，從而簡化了計算，并能精確地控制輸出波形。對于杯形轉(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)計轉(zhuǎn)子時的保持時間由葉片與開口寬度比決定。在設(shè)計精良的系統(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。

頂部  

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。

如果需要一個具有多個開口和葉片的小轉(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。

頂部  

較陡的磁性曲線斜率確保可靠的開關(guān)

對于大部分常見形狀的葉片，磁通量密度相對于葉片運(yùn)動的圖形在切換區(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)的葉片位置必然會發(fā)生變化。圖 37 顯示了兩個不同的磁電路中，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)動而變化的磁通量密度值的對比，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，該器件將切換至打開狀態(tài)。如果在 125°C 時，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 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（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。

頂部  

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)致溫度對氣隙變化的影響

圖 38 中，在一個葉片系統(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)是對稱的）。橫軸上的距離已從葉片的前沿測得。

圖 38.使用兩種不同的釤鈷磁體的相對磁場強(qiáng)度，以及氣隙和磁通量集中器使用的差異對比（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	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。

頂部  

磁通量集中器的投入回報

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)用集中器的評估。

此應(yīng)用中的初始計時和較廣的溫度范圍，使設(shè)計人員只能按照 +25°C 時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。我們曾任意選擇將該系統(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 時在 300 至 450 G 之間）將決定火花初始計時的不定量。機(jī)械系統(tǒng)可能也會產(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 處測得的隨葉片運(yùn)動而變化的磁通量密度。這里需要對曲線（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，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)行測量。當(dāng)一個葉片通過磁體，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，對所有數(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)計實(shí)例（只顯示磁通量切換區(qū)）

從此圖中，我們能識別系統(tǒng)切換區(qū)的磁斜率，葉片每運(yùn)動 1 mm，大約為 223 G。根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑 (63.5 mm) 的計算結(jié)果顯示，葉片運(yùn)動 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，就會對初始計時的不確定性產(chǎn)生額外的影響，同時將影響圖 39 中磁通量密度/葉片運(yùn)動曲線的形狀和斜率。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，分配計時將改變 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，在 25°C 時的 375 G 磁場，在 125°C 時將降至 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，葉片的運(yùn)動需要增加。可采用下列公式計算：

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

轉(zhuǎn)換為計時變化：

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)計實(shí)例（只顯示磁通量切換區(qū)），顯示溫度變化對工作點(diǎn)的影響

頂部  

計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的計時電流相符。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（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 8 缸發(fā)動機(jī)，需要一個具有相同尺寸的 8 開口和 8 葉片的分電器轉(zhuǎn)子。因此，一個開口-葉片段占 45 分配度，并將使一個缸點(diǎn)火。我們進(jìn)一步假設(shè)一個典型的霍爾器件在 25°C 時的工作點(diǎn)為 375 G（圖 40 的 A），在 25°C 時的釋放點(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，它們會打開 1.5 mm。我們能計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 時形成了 (45° + 4.54°) = 49.54 分配度的靜止角。工作循環(huán)為：

25°C 時為 (49.54° / 90°) = 55%

使用指定的最壞情況的溫度系數(shù)，我們可計算 125°C 時新的工作點(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 ±0.3 mm，位置大約調(diào)整至霍爾開關(guān)的工作點(diǎn)，測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。

頂部  

固定的好壞也會影響穩(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)系絕對穩(wěn)定。實(shí)際上，要想將此變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須在設(shè)計固定支架時多加小心。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，需要減小初始計時窗口。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)汽車分電器改變計時類似的方法，調(diào)整霍爾器件-磁體組件相對于轉(zhuǎn)子的位置

頂部  

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，而且對橫向運(yùn)動比較敏感，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，磁性斜率很小，這種缺點(diǎn)通常要求極大的機(jī)械運(yùn)動，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)動過度的問題。但它對橫向氣隙非常敏感，當(dāng)氣隙發(fā)生變化時，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)向移動對磁通量特性的影響

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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）能提供比任何單個磁體更大的磁場強(qiáng)度（圖 43）。更為重要的是，推-挽構(gòu)造對橫向運(yùn)動很不靈敏，當(dāng)使用安裝較松的機(jī)械結(jié)構(gòu)時，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推-推式構(gòu)造（圖 45），這樣能創(chuàng)建一個斜率很大的雙極磁場（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，磁場將相互抵消，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)造對于橫向運(yùn)動很不靈敏。

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

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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，使器件正常開啟，直至一個具有更強(qiáng)磁場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)滑移動的實(shí)例，磁體位于一側(cè)，單獨(dú)磁體

圖 50.側(cè)滑移動的實(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.磁通量穿過空氣時產(chǎn)生的典型磁場，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中，使用一個全鐵質(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，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對磁通量密度產(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，可輕松測量其他形狀的集中器的有效性。

頂部  

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 顯示了一個環(huán)形磁體應(yīng)用中可能使用的磁通量集中器。使用一個延伸至兩個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）。注意集中器有一個以霍爾器件為中心的凹陷或臺面。在多數(shù)應(yīng)用中，該臺面將在一個水平固定面上使磁通量密度明顯增加。

圖 57.臺面式支架與通量集中器的實(shí)例

引力與變形的磁通量場

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

頂部  

饋通

圖 58 顯示了一個使用磁導(dǎo)體通過非鐵外殼饋給磁通量的實(shí)例。如圖所示，一個小型電機(jī)轉(zhuǎn)子的末端固定有一個 3.2 mm 的立方釤鈷磁體。一個 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為 350 G，不使用磁通量集中器時為 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、價格合理而且能隨時使用。

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）。一個具有優(yōu)異抗消磁能力的強(qiáng)磁體，同時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)，價格就越貴。

• 溫度系數(shù)。工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)在整個工作溫度范圍的變化率，以高斯每攝氏度表示。溫度變化時，磁體的磁場強(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。為保險起見，正確的設(shè)計規(guī)范會建議另外增加 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 時的最大工作點(diǎn)為 350 G，那么增加另外的 100 G 后，在 25°C 時的最大工作點(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)的消磁磁場中，例如，磁體面向一個交流電機(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。價格欄顯示了所付價格與磁體能量乘積峰值之間的關(guān)系。

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高級應(yīng)用

限流與測流傳感器 IC

霍爾效應(yīng)器件是一種性能出色的限流或測流傳感器。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?jiān)L問：霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC

導(dǎo)體周圍的磁場通常不是很密，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，磁通量密度會減小

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

電流較低時，使用如圖 61A 和 61B 所示的環(huán)形線圈增加通過霍爾元件時的磁通量密度。對于有 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

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

主要應(yīng)考慮：

• 當(dāng)電流降至 0 時，磁芯應(yīng)保持最小磁場

• 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。例如，一個氣隙為 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，而不必斷開該導(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，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)，能為器件提供一個較窄的磁性參數(shù)分布。假如您想在 10 A 時打開霍爾開關(guān)：

N = 300 G / (6 G/A × 10 A) = 5 圈

霍爾線性傳感器

為使輸出信號/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?jiān)L問：線性位置傳感器 IC。

對于需要更多圈的低電流應(yīng)用，可以繞一個線軸，將其滑放在磁芯上，再通過霍爾器件用一個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，能測量較低的毫安范圍內(nèi)的電流，或用一個霍爾開關(guān)替換繼電器。在使用工作點(diǎn)為 200 G (±40 G) 的器件時，為使霍爾開關(guān)在 10 mA (±20%) 時激活，線軸需繞：

N = 200 G / (6 G/A × 0.01 A) = 3333 圈

調(diào)整氣隙對最終進(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)相對較小的磁場變化，變化很小，無法使霍爾開關(guān)工作。它們通常與一個放大器進(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)動檢測器、輪齒傳感器 IC 和接近傳感器（圖 64），因此是機(jī)械活動中磁驅(qū)動的應(yīng)用典范。作為電靈敏的磁體監(jiān)控器，它們能有效測量系統(tǒng)負(fù)載很小的系統(tǒng)性能，同時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

每個霍爾效應(yīng)集成電路都包含一個霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器輸出級。和低水平模擬信號有關(guān)的問題都可由單個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，瞬時和比例輸出電壓級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以上。

在圖 65 和 66 所示的兩個應(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)一個磁通量集中器。

圖 65.能檢測目標(biāo)存在的典型外部反向偏壓電路

圖 66.能檢測目標(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。

鐵類金屬檢測器

圖 67 和 68 顯示了兩種相似的檢測器設(shè)計。第一個能感應(yīng)鐵類金屬的存在；另一個能感應(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.能檢測鐵類磁體存在的典型外部反向偏壓電路

圖 68.能檢測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 25 mm 的鋼球滾過傳感器時，輸出會發(fā)生變化（減小）。該信號通過運(yùn)算放大器放大并反向，然后驅(qū)動 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，將導(dǎo)致輸出發(fā)生變化（減小）。該信號通過運(yùn)算放大器放大并反向，然后驅(qū)動應(yīng)用晶體管，使其打開。

注意，在兩個實(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，該脈沖會驅(qū)動晶體管，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磁通量集中器。雖然它不提供磁通量回路，但它將使磁場集中穿過霍爾開關(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 3 V 的輸出，驅(qū)動晶體管使其打開，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量工具。每個設(shè)備均單獨(dú)校準(zhǔn)，并具有一個校準(zhǔn)曲線和靈敏系數(shù)。雖然校準(zhǔn)是在 800 G 磁場的南極和北極進(jìn)行，但該傳感器 IC 對測量兩個磁極的磁場都很有用。

需要使用一個精密穩(wěn)壓 (±10 mV) 的電源，以保持校準(zhǔn)后磁通量密度測量的精確性。同時，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。使用前，必須對設(shè)備加電，并使其穩(wěn)定運(yùn)行 1 分鐘。

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

迎面式：霍爾傳感器 IC 的運(yùn)動方式。將磁極移向或挪離封裝表面時，磁場將增強(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)用的磁通勢后，在一個磁電路中剩余的磁感應(yīng)。當(dāng)磁電路中沒有氣隙時，剩余磁感應(yīng)與殘留磁感應(yīng)是相同的。有氣隙時，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，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)動方式。當(dāng)一個永久磁體以橫向運(yùn)動通過封裝表面時，磁場將增強(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 使用單個磁極的工作方法，通常使用磁南極。

葉片：任何用于使磁場從霍爾傳感器 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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