作者:Manny Soltero

 

霍爾效應感測器(又稱為霍爾感測器)能監測磁場變化,具有極高準確度、一致性及可靠度。因此,霍爾效應感測器非常適合用於感測系統中的物件位置與移動。接下來,我將介紹霍爾效應感測器、其基本原理與功能,並分享常見的應用。

霍爾效應感測器並非普通的積體電路(IC),因為不同於多數IC,霍爾效應感測器是間接與關鍵「電路」(磁鐵)互動。如圖1所示,霍爾效應感測器的基本配置包含一個霍爾元件(可將磁場轉換為電壓),以及運算放大器等處理電路。在霍爾效應感測器的操作上,類比與數位處理電路都很重要,原因在於霍爾元件的輸出電壓非常微弱,有時甚至以微伏特為單位。最基礎的霍爾效應感測器設計只需要三針腳封裝、小型電晶體-23(SOT)或電晶體外型(TO)-92,作為電源、接地與輸出。

  

1:霍爾效應感測器基本結構

磁力線會從一極出發,進入另一極,因此磁場的形狀並非直線,不過為求簡化,圖1仍以直線顯示感測器結構。了解磁場向量在空間中的移動模式,便能加以運用、發揮設計創意。歡迎瀏覽TI「磁感測器支援與培訓」頁面的應用說明,參考一些基本設計構想。

你曾思考過霍爾效應感測器的基本原理嗎?簡單來說,在導體上通過電流,並在垂直電流方向施以外加磁場時(如圖2),電子會被擠壓到一端,並在勞倫茲力(Lorentz force)的作用下產生微弱電壓。這便是美國物理學家霍爾(Edwin Hall)於1879年發現的特殊現象。

  

2:霍爾效應示意圖

你是否注意到磁場方向與霍爾元件的相對關係呢?這項霍爾效應感測器的特性是進行機械設計時的一大考量。多數霍爾效應感測器的產品規格表會標明磁場與封裝表面的相對方向,TI的霍爾效應感測器系列提供多種選項。

對霍爾效應感測器的原理有基本概念,有助於我們充分利用,妥善配置感測器與磁鐵的位置。不過,我們也得了解隨著距離增加,磁場的強度會如何變化。圖3顯示磁場強度因與磁鐵距離拉長而衰減的情形。

  

3:磁場強度隨距離衰減情形

為了提高測量解析度,我們需要確保系統的最小與最大距離值區間在磁場的最大變動範圍內。

霍爾效應感測器位置一般可分為三類:

  • 霍爾效應開關為一種數位輸出元件,能根據感測到的磁場切換狀態。磁鐵越靠近感測器,感測到的磁場會越強,也會切換至「BOP」的活躍狀態。與磁鐵距離拉長、磁場強度減弱時,元件則會切回「BRP」閾值的非活躍狀態。
  • 霍​爾效應鎖存IC與開關的操作幾乎相同,差別只在於其BRP閾值與磁極性相反。換言之,霍爾效應鎖存IC需要轉換磁場極性來切換輸出電壓狀態。
  • 線性霍爾效應感測器又稱為線性感測器,為一種類比元件,會感測磁場轉變而調整輸出電壓。沒有磁場存在時,感測器的輸出電壓為電源電壓(VQ)的一半。磁場增強時,輸出電壓會讓感測器更靠近接地(磁北極),或者更靠近電源電壓(磁南極),直到達到飽和點。由於輸出電壓不變,感測器不會感測比磁場飽和點更強的磁場。開關與線性元件可分為單極(僅能感測N極或S極)、全極開關與雙極線性元件(能感測N極與S極)。

圖4顯示三種霍爾效應感測器的電壓轉換功能。


4:開關、鎖存IC與線性感測器的電壓轉換

開關與鎖存IC的BOP與BRP閾值差便是磁滯(BHYS = BOP - BRP)。若能在系統中妥善運用磁滯,有助於避免在輸出狀態之間來回變動。

 

霍爾效應感測器的常見應用

開關常見於筆記型電腦、冰箱門與線路終端開關,用於感測是否有磁鐵靠近感測器。鎖存IC則廣泛應用於旋轉編碼器與馬達變換器,可持續監測旋轉馬達軸心的位置。線性感測器能準確測量物件的位移,因此適用於線性致動器、變速開關與加速踏板等。

霍爾效應感測器可有效監測移動物件,是極具成本效益的解決方案。根據不同的應用需求,您可以選擇開關、鎖存IC或線性感測器。如果想進一步了解霍爾效應感測器,歡迎參閱TI Precision Labs 精密實驗室培訓系列的磁感測器章節。

 

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