霍尔开关在工业中的应用

21 世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。如今，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。自19 世纪60年代发现发现霍尔效应以来，伴随着后来半导体器件技术和集成电路技术的快速发展，以此为基础的霍尔开关已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。而由此衍生的霍尔开关产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。

霍尔开关产业发展应用大致分为：直接应用和间接应用。以霍尔效应为原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔开关。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。

如控制一定电流时，可以测量交、直流磁感应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关系，令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例，可制成功率测量传感器；当固定磁场强度大小及方向时，可以用来测量交直电流传感器电流和电压。利用这一原理还可以进一步测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。

霍尔开关概述

霍尔开关是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。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。利用这种现象制成的霍尔开关，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。它主要是由霍尔元件制成，分为线性霍尔和开关霍尔两种。

线性霍尔由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关霍尔由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。而霍尔元件是由半导体材料制成的，它对温度变化很敏感，故温度变化会给它的测量带来偏差，此外由于元件材料、寄生直流电动势、不等位电动势、外界电磁波干扰等情况在具体工业生产中也会影响到霍尔式传感器的测量精确度。

霍尔开关在工业应用中的特点

(1) 霍尔开关可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量，其副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。

(2) 原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV 至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。

(3) 精度高：在工作温度区内精度优于1%， 该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为 3%至5%且适合50Hz正弦波形。

(4) 线性度好：优于0.1%。

(5) 动态性能好：响应时间小于1μ s跟踪速度di/dt高于50A/μ sl。 霍尔开关模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。

(6) 工作频带宽：在0- 100kHz频率范围内精度为1 %。在0一5kHz频率范围内精度为0。5%。

(7) 测量范围广：霍尔开关模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。

(8) 过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。

(9) 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。

(10) 模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μ s的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。

霍尔开关在工业应用的使用注意事项

(1) 为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔开关模块孔径。

(2) 使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度( 故使用时要先接通电源和测量端M) ， 发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。

(3) 在大多数场合，霍尔开关都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在--个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：

A、调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小。

B、在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩。

C、选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。

D、测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，即： IpN p =额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过80°C。

结论

霍尔开关经过了长时间的发展与研究，其技术已经越来越成熟。不仅解决了与EMC (电磁兼容性)器件的协同工作问题，而且感应精度也得到了提高。但是，霍尔开关的可靠性将是下一。步必须着重考虑的问题。霍尔器件更加小型化、更高的灵敏度且集成度也是未来的发展方向。由于霍尔开关的成本较高，因此其应用领域基本锁定在汽车等高端市场，而对于需求量较大、对成本控制非常严格的消费电子市场则受到了成本的限制。

相信随着技术的进一步发展，霍尔开关走进手柄等消费电子应用领域将是大势所趋。最近几年里，人们的兴趣主要集中在量子霍尔器件上，而电子在量子霍尔磁场中的自旋已成为研究可能开拓出新的学科领域，这将进一步影响到物理学的很多分支。相信在不久的领域的课题。分数量子霍尔效应开创了一个新的研究多体现象的新时代，新的物理效应有将来，在这个领域，将不断出现科学研究的新成果，更多地为人类造福。