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霍尔元件的原理
霍尔元件是一种半导体磁电器件,它是利用霍尔效应来进行工作的。 早在1879年人们就在金属中发现了霍尔效应,1910年就有人用铋制成了霍尔元件,用以测量磁场。但由于这种效应在金属中十分微弱,当时并没有引起什么重视。1948年后,由于半导体技术的迅速发展,人们找到了霍尔效应较为显著的半导体材料——锗(Ge),接着,在1958年前后,人们又对化合物半导体——锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)进行了大量的研究,并制成了较为满意的元件。这时霍尔效应以及它所具有的广泛的应用才受到了人们普遍的重视。 霍尔元件应用霍尔效应的半导体。 所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显,而铁磁金属在居里温度以下将呈极强的霍尔效应。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为: 式中 RH――霍尔系数;n――单位体积内载流子或自由电子的个数;q――电子电量;I――通过的电流;B――垂直于I的磁感应强度;d――导体的厚度。 对于半导体和铁磁金属,霍尔系数表达式和式(2)不同。 由于通电导线周围存在磁场,其大小和导线中的电流成正比,故可以利用霍尔元件测量出磁场,就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不和被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。 若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中,则在该元件中将产生电流I,元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比,如果再测出该电磁场的磁场强度,则电磁场的功率密度瞬时值P可由 确定。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上,当装在运动物体上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数,则可以确定其运动速度。 霍尔电流传感器——ACS712ELCTR 下图为霍尔传感器数据手册的首页: 下图是标有系数(Sensitivity)的数据手册页面: 关于ACS712ELCTR Allegro 电流传感器的共同点: 1.芯片级霍尔电流传感器,串联在电流回路中,外围电路简单。 2. 开环模式的霍尔电流传感器(因体积问题,芯片级霍尔电流传感器无法做到闭环模 式。) 3. 可测交直流电流。 4. 无需检测电阻,内置毫欧级路径内阻。 5. 单电源供电,原边无需供电。 6. 80~120KHz 的带宽,外围滤波电容可调整带宽与噪声的关系。 7. 输出加载于0.5Vcc 上,非常稳定的斩波输出。 8. us 级响应速度,精度在-40~85℃时小于2% 9. 带抑制干扰的特殊封装工艺。 10. 非常好的一致性与可靠性。年出厂不合格率小于1PPM。 从ACS712 的内部框图与封装解剖图可以看出,原边电流只是从芯片内部流过,与副边 电路并没有接触,原边与副边是隔离的,因为封装小,所以ACS712 的隔离电压为2100V。 因为电流的流过会产生一个磁场,霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号,经过内部 的放大、滤波、与斩波电路,输出一个电压信号。 ACS712 根据尾缀的不一样,量程分为三个规格:5A、20A、30A,温度等级均为E 级(-40~85℃)。输入与输出在量程范围内为良好的线性关系,其系数Sensitivity 分别为,185、100、66mV/A。因为斩波电路的原因,其输出将加载于0.5Vcc 上。ACS712 的Vcc 电源一般建议采用5V。输出与输入的关系为Vout=0.5Vcc+IpSensitivity。一般输出的电压信号介于0.5V~4.5V之间。 Ip+与Ip-之间流经芯片内部的那一部份,我们称之为内置路径内阻,其阻值为1.2mΩ。 当大电流流经它时,所产生的功耗很小,如30A 满量程的电流流经它时,产生的功耗为P=3030*1.2/1000=1.08W。 ACS 712 的全温度范围的精度为±1.5%。在25~85℃时,精度特性更好。输入与输出之间的响应时间为5us。带宽为80KHz,通过调整滤波脚与地之间的滤波电容,可根据客户的要求来调整噪声与带宽的关系,电容取值大,带宽小,噪声小。 ACS712ELCTR应用电路 测量直流电流 最简单的应用电路原理图如下图所示: 实际搭建电路如下: 根据公式 V o u t = 0.5 V c c + I p ∗ S e n s i t i v i t y Vout=0.5Vcc+Ip*Sensitivity Vout=0.5Vcc+Ip∗Sensitivity,电流值就等于 ( 3 − 2.5 ) / 100 = 5 A (3-2.5)/100=5A (3−2.5)/100=5A,与实际值基本一致。 |
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