一文讀懂汽車霍爾傳感器的原理和應(yīng)用
霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。未來(lái)幾年，隨著越來(lái)越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，霍爾傳感器在中國(guó)市場(chǎng)的年銷售額將保持20%到30%的高速增長(zhǎng)。與此同時(shí)，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場(chǎng)前景。隨著霍爾傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在汽車電子等領(lǐng)域，關(guān)心它的人也越來(lái)越多，這里我們將介紹汽車霍爾傳感器的原理和應(yīng)用。
霍爾效應(yīng)原理和霍爾元件
圖1
圖1中在一塊半導(dǎo)體薄片H上A+,A-兩電極之間通電，加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)電極C1,C2之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由美國(guó)科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。(VH稱為霍爾電壓)
這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓VH，這就是霍爾電壓，這個(gè)半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。 霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP等等。
霍爾集成電路
霍爾集成電路是汽車霍爾傳感器的核心部分，它將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。
霍爾集成電路是由霍爾元件、差分放大器等電子元器件集成到同一塊半導(dǎo)體芯片上組成，是一種磁敏傳感器?？梢詸z測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柤呻娐肥且曰魻栃?yīng)原理為基礎(chǔ)工作的。
霍爾集成電路具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
按照霍爾集成電路的功能可將它們分為:霍爾線性集成電路和霍爾開關(guān)集成電路。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。
霍爾線性集成電路的精度高、線性度好;霍爾開關(guān)集成電路無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。
霍爾集成電路的分類如下：
1、霍爾線性集成電路
它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。 這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)，典型的霍爾線性集成電路的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
圖2 霍爾線性電路的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線
圖3功能框圖
|
型號(hào) |
Vcc |
線性范圍mT |
工作溫度 |
靈敏度 |
靜態(tài)輸出電壓Vo/V |
||||
|
V |
℃ |
S/mV/mT |
|||||||
|
min |
mid |
max |
min |
mid |
max |
||||
|
SS495 |
4.5～10 |
±70 |
-40～+125 |
15 |
-- |
35 |
2.4 |
2.5 |
2.6 |
|
A3503 |
4.5～6 |
±90 |
-40～+125 |
10 |
20 |
30 |
2.25 |
2.5 |
2.75 |
表1 霍爾線性電路的特性參數(shù)
2、霍爾開關(guān)集成電路
霍爾開關(guān)集成電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP-BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)?；魻栭_關(guān)電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。
(a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出
圖4 霍爾開關(guān)集成電路的功能框圖
(a)開關(guān)型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性
圖5 霍爾開關(guān)集成電路的輸出特性
一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?，北極接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。
鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：
當(dāng)外加場(chǎng)B正向增加，達(dá)到BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無(wú)論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。 典型的霍爾開關(guān)電路的性能參數(shù)見表2。
|
型號(hào) |
VCC |
Bop |
BRP |
BH |
Icc |
Io |
Vo |
Ioff |
備注 |
|
V |
mT |
mT |
mT |
mA |
mA |
V |
μA |
||
|
A3144 |
4.5～24 |
7～35 |
5～33 |
≥2 |
≤9 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
開關(guān)型 |
|
A3140 |
4.5～24 |
7～20 |
5～18 |
≥2 |
≤9 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
開關(guān)型 |
|
A3175 |
4.5～24 |
2～20 |
-20～-2 |
≥2 |
≤8 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
鎖定型 |
表2 霍爾開關(guān)電路的特性參數(shù)
3、霍爾集成電路的磁路設(shè)計(jì)原理
汽車霍爾傳感器除了它的核心部分霍爾集成電路以外，相對(duì)應(yīng)的磁路設(shè)計(jì)是另一個(gè)相當(dāng)重要的部分。
用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。例如，用一個(gè)的釹鐵硼磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約200~300mT的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾集成電路的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長(zhǎng)度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾芯片表面算起。在封裝好的霍爾集成電路中，霍爾芯片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。
因?yàn)榛魻柤呻娐沸枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾集成電路固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場(chǎng)，再?gòu)臋z測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。
工作磁體和霍爾集成電路間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移;(b)側(cè)移;(c)旋轉(zhuǎn);(d)遮斷。如圖7所示，圖中的TEAG即為總有效工作氣隙。
圖7 霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式
在遮斷方式中，工作磁體和霍爾集成電路以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁(例如軟鐵)翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來(lái)調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測(cè)精度較高，遮斷用的翼片根據(jù)不同的功能要求可以設(shè)計(jì)成不同的形狀, 圖8就是一些翼片的外形。
圖8
圖9在霍爾集成電路背面放置磁體
也可將工作磁體固定在霍爾集成電路背面(外殼上沒(méi)打標(biāo)志的一面)，如圖9所示讓被檢的鐵磁物體(例如鋼齒輪)從它們近旁通過(guò)，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志(如齒、凸緣、缺口等)，得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
4、霍爾集成電路與外電路的接口
霍爾開關(guān)集成電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和一般的NPN開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過(guò)輸出管的擊穿電壓(即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓)。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共地導(dǎo)通。因此，必須外接一個(gè)電阻器(即負(fù)載電阻器)來(lái)限制流過(guò)管子的電流，使它不超過(guò)最大允許值(一般為20mA)，以免損壞輸出管。
以與發(fā)光二極管的接口為例，對(duì)負(fù)載電阻器的選擇作一估計(jì)。若在Io為20mA(霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流)，發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.4V，當(dāng)電源電壓VCC=12V時(shí)，所需的負(fù)載電阻器的阻值(4)， 和這個(gè)阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻為560Ω，因此，可取560Ω的電阻器作為負(fù)載電阻器。
圖10表示與各種電路的接口：(a)與TTL電路;(b)與CMOS電路;(c)與LED。
圖10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例
霍爾傳感器在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用
霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器
1、功用與類型
曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，其功用是采集曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并輸入電子控制單元(ECU)，以便確定點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻。
凸輪軸位置傳感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)又稱為氣缸識(shí)別傳感器，為了區(qū)別于曲軸位置傳感器(CPS)，凸輪軸位置傳感器一般都用CIS表示。也叫同步信號(hào)傳感器，它是一個(gè)氣缸判別定位裝置，向ECU輸入凸輪軸位置信號(hào)，是點(diǎn)火控制的主控信號(hào)。
2、結(jié)構(gòu)和工作原理
霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器內(nèi)部都釆用了一個(gè)由霍爾開關(guān)集成電路和遮斷方式的磁路設(shè)計(jì)(圖7中d的磁路方式)制成的霍爾翼片傳感器，該傳感器主要由霍爾集成電路、永久磁鐵和導(dǎo)磁片組成?；魻柤呻娐放c永磁鐵之間有1mm的間隙，導(dǎo)磁片又稱信號(hào)轉(zhuǎn)子安裝在進(jìn)氣凸輪上，用螺栓和座圈固定。信號(hào)轉(zhuǎn)子的隔板又叫做葉片，在隔板上有一個(gè)窗口，窗口對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)為低電平信號(hào)，隔板對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)為高電平信號(hào)。當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子隨進(jìn)氣凸輪軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隔板和窗口從集成電路與永磁鐵之間的間隙中轉(zhuǎn)過(guò)。當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子的隔板進(jìn)入間隙時(shí)，霍爾集成電路中的磁場(chǎng)被旁路，霍爾元件上沒(méi)有磁力線穿過(guò)，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級(jí)三極管截止，傳感器輸出的信號(hào)電壓為高電位，約4.8V;當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子的隔板離開間隙時(shí)，永磁鐵的磁通經(jīng)導(dǎo)磁片和霍爾元件集成電路構(gòu)成回路，集成電路輸出級(jí)三極管導(dǎo)通，傳感器輸出的信號(hào)電壓為0.2V，為低電位?；魻杺鞲衅鞴ぷ髟淼牧Ⅲw結(jié)構(gòu)圖見圖11。
圖11霍爾傳感器工作原理的立體結(jié)構(gòu)圖
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)不斷地輸人ECU。當(dāng)ECU同時(shí)接收到曲軸位置傳感器大齒缺對(duì)應(yīng)的低電位信號(hào)(15°)和凸輪軸位置傳感器窗口對(duì)應(yīng)的低電位信號(hào)時(shí)，可以識(shí)別出1缸活塞在壓縮上止點(diǎn)、4缸活塞處于排氣行程，并根據(jù)曲軸位置傳感器小齒缺對(duì)應(yīng)輸出的信號(hào)控制點(diǎn)火提前角。由于凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器同時(shí)輸出信號(hào)，凸輪軸位置傳感器信號(hào)作為判缸信號(hào)，所以凸輪軸位置傳感器也叫做同步信號(hào)傳感器，它的安裝位置見圖12，結(jié)構(gòu)見圖13。
桑塔納2000Gli轎車的霍爾式凸輪軸位置傳感器與ECU的連接電路如圖14所示。該傳感器G40導(dǎo)線連接器有三個(gè)接線端子，1為傳感器電源正極端子;2為傳感器信號(hào)輸出端子;3為傳感器電源負(fù)極端子。這三個(gè)端子分別與ECU的62、76和67 端子相連。
圖12霍爾式凸輪軸位置傳感器安裝位置
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于汽車霍爾傳感器的知識(shí)技巧了，學(xué)習(xí)以上的一文讀懂汽車霍爾傳感器的原理和應(yīng)用知識(shí)，對(duì)于汽車霍爾傳感器的幫助都是非常大的，這也是新手學(xué)習(xí)機(jī)電專業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問(wèn)題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù)，我們會(huì)有專業(yè)的人士來(lái)為您解答。
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