超高灵敏度霍尔元件科普：原理与典型应用

在《全面认知・霍尔元件》中，我们曾介绍过三种霍尔元件，分别是超高灵敏度霍尔元件、高灵敏度霍尔元件和低漂移霍尔元件。此章节将着重介绍超高灵敏度霍尔元件的应用实例。超高灵敏度霍尔元件在三种霍尔元件中灵敏度更高，在瞬间检测磁场变化方面表现极为出色。而且，在定电压驱动时，其温度特性比定电流驱动时更加稳定。

超高灵敏度霍尔元件具有众多代表性应用，下面我们来详细了解一下。

直流无刷电机

直流无刷电机是指在直流电流驱动下旋转的高效率、易维护的电机，广泛应用于空调的风扇电机和白色家电产品的主电机等。常见的直流电机中有刷电机，其换向器和电刷在物理上反复接触、分离，会导致接触部分磨损，缩短电机寿命。而直流无刷电机则根据传感器的输出信号进行电动式切换，因此具有更长的使用寿命。

直流无刷电机的主要构成部件包括磁铁、霍尔元件和线圈。在转子的中心旋转体上配置磁铁，利用安装在定子外侧固定部分的霍尔元件检测来自转子的磁场。根据各霍尔元件检测到的磁场信息，使电流流过各个线圈，形成电磁铁。通过对电磁铁产生的磁场强度和方向进行精确的时间控制，利用转子磁铁和线圈电磁铁的排斥、吸引力使转子旋转。

不过，实际的霍尔元件存在偏移电压，这会影响其检测磁铁位置的时机。图 3（上）展示了用灵敏度高的霍尔元件（蓝线）和灵敏度低的霍尔元件（黄线）检测磁铁旋转时的输出电压示例。通常情况下，没有偏移电压时，输出电压的正 / 负切换对应磁铁的 N 极 / S 极切换。但实际上，由于偏移电压的存在，输出电压的正 / 负切换和磁铁的 N 极 / S 极切换会产生偏移。

图 3（下）是具有偏移电压的霍尔元件, 是根据输出电压的正/负, 检测出N极/S极的切换时的检测时序图。使用灵敏度低的霍尔元件时, 由于偏移电压的影响, S极/N极的检测可见大的占空比偏差。但是,像InSb那样的灵敏度高的传感器, 与偏移电压相, 因为输出电压大, 所以S极/N极的检测的占空比的偏差小。以使用此种霍尔元件为前提, 并使磁铁稳定地旋转的话, 则电机的旋转效率会变好。

图1 直流有刷电机原理

图2 内转子的 DC 无刷

图3 利用霍尔元件检测电动机的磁极

闭环型电流传感器

磁感应式电流传感器是通过测定测定对象的电流线周围产生的磁场 (磁通密度) 来检测电流量的传感器。闭环型电流传感器用于太阳能发电的功率调节器的AC检测部等。关于电流产生的磁通密度, 根据Bio Savar定律, 用下式表示。关于电流产生的磁通密度, 根据Bio Savar定律, 可以用下式表示。

B=μ0/(2πr)× I

其中：

◆B: 磁通密度

◆μ0: 真空导磁率

◆r:距电流线的距离

◆I: 电流

由该式可知, 电流和磁通密度成比例关系, 通过利用霍尔元件测定从电流线产生的磁场, 能够正确地测定流过电流线的电流量。另外, 该方法与以往的在测定对象的电流线上直接加入分流电阻 (电流电压变换用的小电阻) 来测定电压的方法不同, 是使测定对象的电流线和传感器信号在绝缘状态下检测, 该方法具有能够无损失地进行测定的优点。

闭环型电流传感器即使是在磁感应式电流传感器中, 因为有进行反馈控制可以高精度的检测电流量, 所以这是其一大特征。闭环型电流传感器的主要部件是被称为电流线, 集中磁场的磁性体, 线圈, 霍尔元件。以覆盖输入电流线的周围的方式配置铁心, 在铁心的间隙部配置霍尔元件, 再在该铁心上缠绕线圈。使电流在输入电流线中流动时, 产生的磁场被集中在磁芯,施加在霍尔元件上。

图4闭环型电流传感器

反馈电路以该霍尔元件的输出电压为基准, 为了生成与输入电流产生的磁场相反的磁场, 给卷绕在铁心上的线圈通电, 进行校正霍尔元件的输出电压, 使其输出电压始终为0V。根据此时流过线圈的电流量, 可以计算流过输入电流线的电流量。闭环型电流传感器检测霍尔元件的输出电压是否为0[V], 所以通过使用灵敏度高的InSb, 可以高精度地检测电流量。

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