回答常見的傳感器 IC 技術(shù)問題，例如“什么是霍爾效應(yīng)？”
Allegro MicroSystems 公司將最先進(jìn)的集成電路技術(shù)和具有百年歷史的霍爾效應(yīng)融為一體，用以生產(chǎn)全新的霍爾效應(yīng) IC。這些無觸點(diǎn)的磁觸發(fā)開關(guān)與傳感器 IC 不僅能簡化電氣和機(jī)械系統(tǒng)，還能提高系統(tǒng)的性能。
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低成本簡化開關(guān)
高效、精確、低成本的線性傳感器 IC
適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路
應(yīng)用
霍爾效應(yīng)：工作原理？
線性輸出霍爾效應(yīng)器件
數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)
工作狀態(tài)
特性與公差
入門指南
分析
有效總氣隙 (TEAG)
工作模式
大斜率與高磁通量密度
葉片斷續(xù)器開關(guān)
數(shù)字霍爾效應(yīng)器件的電氣接口
普通接口電路
霍爾開關(guān)的旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器
霍爾開關(guān)應(yīng)用的環(huán)形磁體
雙極霍爾數(shù)字開關(guān)
數(shù)字鎖存
平面和垂直霍爾元件
環(huán)形磁體的詳細(xì)分析
溫度影響
一種成本低廉的選擇
環(huán)形磁體選擇
鐵葉片旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器
工作中的鐵葉片
轉(zhuǎn)子設(shè)計
材料
葉片寬度/開口寬度、轉(zhuǎn)子尺寸
較陡的磁性曲線斜率確保可靠的開關(guān)
小氣隙形成大斜率
磁通量集中器的投入回報
工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性
計算靜止角和工作周期變化
軸承磨損的影響
固定裝置好壞也會影響穩(wěn)定性
正交
優(yōu)化舉措
單獨(dú)校準(zhǔn)技術(shù)
工作模式：迎面與側(cè)滑
工作模式優(yōu)化：復(fù)合磁體
磁偏操作
通過改善電路來增加磁通量密度
通量集中器
饋通
磁體選擇
高級應(yīng)用
限流與測流傳感器 IC
多圈應(yīng)用
線性傳感器 IC 的其他應(yīng)用
使用經(jīng)校準(zhǔn)的設(shè)備
術(shù)語表
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低成本簡化開關(guān)
簡化開關(guān)是霍爾傳感器 IC 的強(qiáng)項。霍爾效應(yīng) IC 開關(guān)在單個集成電路芯片中融合了霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、施密特觸發(fā)電路和晶體管輸出電路。其輸出干凈、迅速且不會發(fā)生開關(guān)跳躍（機(jī)械開關(guān)的固有問題）。霍爾開關(guān)通常以最高 100 kHz 的重復(fù)頻率工作，而且比普通的電動機(jī)械開關(guān)的成本要少很多。
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高效、精確、低成本的線性傳感器 IC
線性霍爾效應(yīng)傳感器采用磁偏探測電磁體、永久磁體或鐵磁體的磁場強(qiáng)度中的運(yùn)動、位置或變化。能耗極低。輸出是線性的，而且溫度穩(wěn)定。傳感器 IC 的頻率響應(yīng)平直，最高約為 25 kHz。
與電感或光電子傳感器相比，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 更高效、更精確，成本也更低。
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適用于惡劣工作環(huán)境的敏感電路
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 能有效抵御環(huán)境中的有害物質(zhì)，所以適用于在環(huán)境惡劣的條件下工作。這種電路非常靈敏，并能在緊公差應(yīng)用中提供可靠、重復(fù)的操作。
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應(yīng)用
霍爾效應(yīng) IC 目前可用于點(diǎn)火系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、測微計、機(jī)械極限開關(guān)、計算機(jī)、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、鍵盤、機(jī)床、鑰匙開關(guān)和按鈕開關(guān)。它們還能用于轉(zhuǎn)速計取樣、限流開關(guān)、位置檢測器、選擇器開關(guān)、電流傳感器、線性電位計、旋轉(zhuǎn)編碼器和無刷直流電機(jī)整流器。
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霍爾效應(yīng)：工作原理？
基本霍爾元件是一小片半導(dǎo)體材料，也稱霍爾元件或有效面積，如圖 1 所示。
圖 1.霍爾效應(yīng)器件的有效面積原理圖，其中霍爾元件由標(biāo)有 X 的組件表示。
圖 2 所示的恒壓電源產(chǎn)生的恒定偏置電流，即 IBIAS，會在半導(dǎo)體片材內(nèi)流動。輸出電壓 VHALL 可沿片材的寬度方向測量。在無磁場的情況下，VHALL 的數(shù)值可以忽略。
圖 2。無磁場時的 VHALL
如果將偏壓霍爾元件放在通量線與偏置電流垂直（參閱圖 3）的磁場中，電壓輸出的變化會與磁場強(qiáng)度成正比。這就是在霍爾 (E. F. Hall) 于 1879 年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)。
圖 3。與偏置電流垂直的磁通量（綠色箭頭）產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)（感應(yīng) VHALL）。
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線性輸出霍爾效應(yīng)器件
基本霍爾元件的輸出電壓很小。這會產(chǎn)生問題，特別是在電氣噪聲環(huán)境中。在電路中添加一個穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì) DC 放大器和電壓調(diào)整器（參閱圖 4 和 圖 5）不僅能有效改善傳感器輸出，還能允許霍爾效應(yīng)器件在更廣的電壓范圍內(nèi)工作。改造后的器件能提供易于使用的模擬輸出，這種線性輸出與應(yīng)用的磁通量密度成比例。
圖 4。帶 VHALL 放大的霍爾電路
圖 5。具有電壓調(diào)整器和 DC 放大器的霍爾效應(yīng)器件
要了解 Allegro 的線性輸出器件的最新產(chǎn)品名錄，請訪問：線性位置傳感器 IC。
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數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)
增加內(nèi)置磁滯的施密特觸發(fā)閾值檢測器，如圖 6 所示，能使霍爾效應(yīng)電路具備數(shù)字輸出功能。當(dāng)施加的磁通量密度超過一定限制時，觸發(fā)器會準(zhǔn)確地將關(guān)閉狀態(tài)切換成開啟狀態(tài)，而不必出現(xiàn)觸點(diǎn)顫動。內(nèi)置磁滯會產(chǎn)生一個磁盲區(qū)，在經(jīng)過閾值后，該區(qū)域中的開關(guān)動作會禁用，從而能消除振蕩（亂真輸出開關(guān)）。
圖 6。具有數(shù)字輸出功能的霍爾電路
為電路增加集電極開路 NPN 或 N 溝道場效應(yīng) (NFET) 晶體管（參閱圖 7），能使開關(guān)具備數(shù)字邏輯兼容功能。場效應(yīng)管是一種飽和開關(guān)，它會在施加的磁通量密度大于器件開啟跳變點(diǎn)的地方，對輸出終端進(jìn)行接地短路。開關(guān)能兼容所有數(shù)字產(chǎn)品系列。輸出晶體管能吸收足夠的電流，以直接驅(qū)動多種負(fù)載，包括繼電器、三端雙向晶閘管、可控硅整流器 (SCR) 和燈具。
圖 7。霍爾開關(guān)的常用電路元件
圖 7 所示的電路元件焊裝在單晶硅片上，并在小型環(huán)氧或陶瓷封裝內(nèi)密封壓制，它們是所有霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的常用電路元件。霍爾效應(yīng)器件類型之間的區(qū)別主要是規(guī)格的差異，如磁力性參數(shù)、工作溫度范圍和溫度系數(shù)。
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工作狀態(tài)
所有霍爾效應(yīng)器件均由磁場激活。必須為器件安裝底座并提供電氣連接。包括加載電流、環(huán)境條件和電源電壓必須在數(shù)據(jù)表所示的極限范圍內(nèi)。
磁場有兩個重要特性：磁通量密度 B（主要指磁場強(qiáng)度）和磁場極性（磁北極或磁南極）。對霍爾效應(yīng)器件而言，與其有源區(qū)相關(guān)的磁場方向也很重要。霍爾效應(yīng)器件的有效面積（霍爾元件）埋置在硅片上，該硅片與封裝的一個特定面平行并略靠近其內(nèi)部。該表面也被稱為標(biāo)記面，因為它通常是標(biāo)記型號的一面（每個器件的數(shù)據(jù)表都會顯示距離印記面的有效面積深度）。為使開關(guān)以最佳狀態(tài)工作，必須保證磁通量線以垂直方式橫越有效面積（平面霍爾元件的印記面或垂直霍爾元件的感應(yīng)邊緣），而且必須在橫越時具有正確的極性。因為有效面積更靠近封裝包背部的印記面，并暴露在硅片的印記面一側(cè)，所以采用這種朝向能產(chǎn)生更清晰的信號。
在無磁場的情況下，大多數(shù)霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)都會關(guān)閉（輸出開路）。只有存在有足夠磁通量密度的磁場，并且沿正確的方向具有正確的極性時，這些開關(guān)才會開啟。例如，磁南極靠近印記面會執(zhí)行開關(guān)動作，而磁北極不會產(chǎn)生任何影響。在應(yīng)用中，將一小塊永久磁體的磁南極靠近平面霍爾開關(guān)的印記面或垂直霍爾開關(guān)的感應(yīng)邊緣（參閱圖 8）會使輸出晶體管開啟。磁體從任意方向接近時，3D 霍爾開關(guān)的輸出將打開。
圖 8。磁體相對于器件有效面積的平面和中心線的運(yùn)動，使霍爾效應(yīng)器件開始工作
可使用轉(zhuǎn)移特性曲線，以圖表形式闡釋該原理。圖 9 和圖 10 顯示了隨霍爾元件中存在的磁通量密度 B（單位：高斯 (G)；1 G = 0.1 mT）變化的輸出電壓。橫軸顯示的是磁通量密度。縱軸顯示的是霍爾開關(guān)的數(shù)字輸出。注意，此處應(yīng)用了代數(shù)符號約定，即增加的正值 B 表示增強(qiáng)的南極磁場，增加的負(fù)值 B 表示增強(qiáng)的北極磁場。例如，+200 B 磁場和 –200 B 磁場的強(qiáng)度相同，但具有相反的極性（分別是磁南極與磁北極）。
如圖 9 所示，在無磁場 (0 G) 的情況下，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，在外部上拉電阻器的作用下輸出電壓等于電源電壓 (12 V)。然后使永久磁體的磁南極沿垂直方向靠近器件的有效面積。當(dāng)磁南極靠近開關(guān)的印記面（平面霍爾元件）或感應(yīng)邊緣（垂直霍爾元件）時，霍爾元件會暴露在逐漸增強(qiáng)的正磁通量密度下。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)（本例中為 240 G）時，輸出晶體管會啟動，輸出電壓達(dá)到 0 V。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 工作點(diǎn)，BOP。繼續(xù)提高磁場強(qiáng)度不會產(chǎn)生影響；開關(guān)已經(jīng)打開，并會一直保持開啟。應(yīng)用到霍爾效應(yīng)傳感器的磁場強(qiáng)度沒有上限。
圖 9。逐漸靠近的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷增大，從而激活了霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（開啟）
由于內(nèi)置磁滯的作用，因此要關(guān)閉開關(guān)，必須使磁通量密度的數(shù)值遠(yuǎn)低于 240 G 工作點(diǎn)（此類圖表有時被稱為磁滯圖表）。在本例中，我們使用 90 G 磁滯，也就是說，當(dāng)磁通量密度減小到 150 G（圖 10）時，器件會關(guān)閉。磁通量密度的該數(shù)值被稱為 釋放點(diǎn)，BRP。
圖 10。逐漸遠(yuǎn)離的磁南極產(chǎn)生的磁通量不斷減小，從而停用霍爾開關(guān)的轉(zhuǎn)移特性（關(guān)閉）
為從該圖中獲取數(shù)據(jù)，需要增加一個電源和負(fù)載電阻，以限制通過輸出晶體管的電流，并使輸出電壓的數(shù)值接近 0 V（參閱圖 11）。
圖 11。轉(zhuǎn)移特性圖表的測試電路
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特性與公差
啟動和關(guān)閉霍爾開關(guān)所需的準(zhǔn)確磁通量密度值會因多種因素的影響而不同，其中包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和制造公差。極端溫度條件也會對工作狀態(tài)和釋放點(diǎn)產(chǎn)生一定程度的影響，經(jīng)常也被稱為開關(guān)閾值或開關(guān)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)表提供了與每種器件類型的工作點(diǎn)、釋放點(diǎn)數(shù)值和磁滯相對應(yīng)的最壞情況下的磁特性。
必須保證達(dá)到或低于最大工作點(diǎn)磁通量密度時，所有開關(guān)都會開啟。當(dāng)磁場減弱時，所有器件都會在磁通量密度降至最小釋放點(diǎn)數(shù)值以下前關(guān)閉。必須保證每種器件都保留最少量的磁滯，以確保開關(guān)動作清楚準(zhǔn)確。這種磁滯能確保開關(guān)輸出迅速、準(zhǔn)確，而且只會在每次閾交時進(jìn)行，即使在機(jī)械振動或電氣噪聲環(huán)境下也是如此。
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入門指南
由于電氣接口通常能直接說明問題，所以霍爾效應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)從物理方面開始。在位置感應(yīng)或運(yùn)動感應(yīng)應(yīng)用中，應(yīng)回答下列問題：
有多少種什么類型的運(yùn)動？
需要什么樣的角精度和位置精度？
固定感應(yīng)設(shè)備和觸發(fā)磁體的空間有多大？
移動組件的運(yùn)動范圍是多少？
在設(shè)備的有效使用期內(nèi)，預(yù)計出現(xiàn)的機(jī)械磨損程度？
產(chǎn)品將會是批量生產(chǎn)的組件，還是能單獨(dú)調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)的限量設(shè)備？
預(yù)計的溫度極限是多少？
仔細(xì)分析一定會讓您受益匪淺。
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分析
要對磁體的磁場強(qiáng)度進(jìn)行研究。磁場的強(qiáng)度在極面上應(yīng)該是最強(qiáng)的，而且將隨著與磁體之間距離的增大而減弱。利用高斯計或校準(zhǔn)的線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可測量磁場的強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度分布也是沿設(shè)計的磁體運(yùn)動直線距離的函數(shù)。霍爾效應(yīng)器件的規(guī)格（以 mV/G 表示的靈敏度適用于線性器件，以 G 表示的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)適用于數(shù)字器件）可用于確定一種磁體和運(yùn)動類型的關(guān)鍵距離。請注意，這些磁場強(qiáng)度分布不是線性的，而且磁通量密度曲線的形狀很大程度上取決于磁體形狀、磁電路和磁體的運(yùn)動路徑。
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有效總氣隙 (TEAG)
有效總氣隙 (TEAG) 是有效面積深度（AAD，即器件印記面/邊緣下方的霍爾元件的深度）與氣隙（AG，即封裝面與磁體或目標(biāo)表面之間的距離）之和。氣隙 (AG) 是一種越小越好的機(jī)械間隙，它應(yīng)符合磁體的尺寸公差、軸承公差、軸承磨損，以及對霍爾開關(guān)安裝支架的溫度影響。圖 12A 是隨 TEAG 變化的磁通量密度的曲線圖，它說明在傳感器處封裝較薄（Allegro UA 封裝的有效面積深度約為 0.50 mm）時，會導(dǎo)致磁通量密度明顯增加。其實際增量主要取決于特定磁體的磁通量密度的磁性曲線斜率。注意，圖表還顯示了其他物理因素對磁通量密度的影響，如器件自身的封裝厚度，以及應(yīng)用的傳感器組件的重疊注塑或防護(hù)涂層。
圖 12A。有效總氣隙、有效面積深度的定義，以及封裝本身對磁信號強(qiáng)度影響的示例（參閱圖 25，了解用于該數(shù)據(jù)的磁體規(guī)格）
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工作模式
即使是簡單的條形或棒狀磁體，也會有多種可能的移動路徑。磁極可沿垂直方向向平面霍爾元件的印記面或垂直霍爾元件的感應(yīng)邊緣移動。這被稱為迎面工作模式。圖 12B 中的曲線顯示了隨圓柱形磁體的 TEAG 變化的典型磁通量密度（單位：高斯）。
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圖 12B。迎面工作模式實例
迎面工作模式很簡單，效果也很好，而且不易受到側(cè)向運(yùn)動的影響。設(shè)計人員應(yīng)注意，如果發(fā)生碰撞，過度的機(jī)械拉伸可能對霍爾器件的環(huán)氧封裝造成物理損壞。
第二種配置是使磁體平行于印記面或器件封裝的感應(yīng)邊緣，沿霍爾器件左右移動。這就是側(cè)滑工作模式，如圖 13 所示。注意，當(dāng)前繪制的距離不是有效總氣隙，而是從磁體中心線到有效面積中心線的垂直距離。指定氣隙是因為它有明顯的機(jī)械重要性，但需要牢記的是，在進(jìn)行與磁通量密度有關(guān)的計算時，必須像以前一樣，在使用的 TEAG 中加入封裝厚度。側(cè)滑工作模式通常在可能產(chǎn)生過度機(jī)械拉伸時避免接觸。與迎面工作模式相比，在精心設(shè)計的側(cè)滑磁路中使用強(qiáng)磁體和/或鐵質(zhì)通量集中器不僅能提高傳感精度，還能縮短磁體的運(yùn)動距離。
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圖 13。側(cè)滑工作模式的實例，它顯示了磁體中心線與有效面積中心線之間的位移變化產(chǎn)生的影響
磁體制造商通常會提供其生產(chǎn)的磁體迎面工作模式下的磁通量密度曲線，但他們通常不會描述側(cè)滑工作模式的特性，這可能因為氣隙選擇不同，從而會導(dǎo)致這些曲線數(shù)量的不確定。然而一旦選定了一個氣隙，那么使用已有的迎面式磁體曲線，通過在有效總氣隙上標(biāo)注數(shù)值，就能找到側(cè)滑工作模式的磁通量密度的峰值（單個點(diǎn)）
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大斜率與高磁通量密度
對線性霍爾效應(yīng)器件而言，其在既定位移中的磁通量變化越大，輸出就越大 - 這是一種顯而易見的優(yōu)勢。數(shù)字霍爾效應(yīng)器件應(yīng)具有同樣的特性，但具體原因可能更微秒。要在既定的應(yīng)用中實現(xiàn)一致的開關(guān)動作，必須在與磁體相關(guān)的同一位置開啟和關(guān)閉霍爾效應(yīng)器件。
為闡釋該原理，我們以圖 14 所示的兩種不同磁體外形的磁通量密度曲線為例。當(dāng)工作點(diǎn)的磁通量密度是 200 G 時，在兩種情況下，只有距離達(dá)到約 3.6 mm，數(shù)字霍爾效應(yīng)器件才會開啟。如果制造公差或溫度影響使工作點(diǎn)變?yōu)?300 G，曲線 A（大斜率）中開關(guān)動作開始時的距離變化不大。但在曲線 B 中，距離變化非常顯著。釋放點(diǎn)（未顯示）也會受到同樣的影響。可以對本例中說明的基本原理進(jìn)行修改，使其包括機(jī)械器件和設(shè)備規(guī)格公差，這些原理也可用于最壞情況的設(shè)計分析。此過程的實例將在后面部分闡釋。
圖 14。側(cè)滑工作模式的實例，兩種不同的有效總氣隙的影響對比
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葉片斷續(xù)器開關(guān)
在該工作模式中，觸發(fā)磁體與霍爾效應(yīng)器件固定在單獨(dú)的剛性組件上，兩者之間保留很小的氣隙。在該位置中，觸發(fā)磁體會使霍爾效應(yīng)器件一直保持開啟狀態(tài)。如果在磁體和霍爾效應(yīng)器件之間放一個鐵磁板或葉片（如圖 15 所示），葉片就會形成一個磁分路，導(dǎo)致磁場能量從霍爾器件上轉(zhuǎn)向。
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圖 15。葉片斷續(xù)器的工作實例：（左圖）無葉片中斷的正常磁通路徑，（右圖）葉片使磁通量轉(zhuǎn)向
采用可移動的葉片是開關(guān)霍爾器件的可行方法。霍爾器件與磁體能模壓成一個元件，這樣就能消除對準(zhǔn)的問題，從而可產(chǎn)生極其穩(wěn)定和可靠的開關(guān)組件。中斷磁通量的鐵葉片或葉片能像在汽車分電器內(nèi)一樣，進(jìn)行線性移動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于能磁通量密度的大斜率/距離曲線，所以鐵葉片組件經(jīng)常用于在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確開關(guān)的操作。
鐵葉片能做成多種外形，如圖 16 所示。采用與圖 16B 類似的線性葉片能在 125°C 的溫度范圍內(nèi)，重復(fù)感應(yīng) 0.05 mm 以內(nèi)的位置。
圖 16。葉片斷續(xù)器的典型配置：(A) 碟式葉片 (B) 線性葉片和 (C) 杯式葉片
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數(shù)字霍爾效應(yīng)器件的電氣接口
數(shù)字霍爾開關(guān)的輸出級是一個常用的開極 NPN 三極管（參閱圖 17）。其使用規(guī)則與其他所有類似的開關(guān)三極管一樣。某些數(shù)字霍爾器件尤其是微功率器件可能有使用 MOSFET 器件創(chuàng)建的推挽式輸出級。這些器件不需要外部上拉電阻器。具體信息，請參閱器件數(shù)據(jù)表。
當(dāng)三極管關(guān)閉時，其具有很小的輸出漏流（一般只有幾毫微安），通常可以忽略不計，而且不得超過最大（擊穿電壓）輸出電壓（通常為 24 V）。
當(dāng)三極管打開時，輸出短路至常見電路中。流過開關(guān)的電流必須經(jīng)過外部限流，使其低于最大電流值（通常為 20 mA），以防止開關(guān)損壞。通過開關(guān)的壓降 VCE(sat)) 將會增加，從而獲得較高的輸出電流值。確認(rèn)該電壓與要控制的電路的關(guān)閉（或“邏輯低”）電壓相一致。某些數(shù)字霍爾傳感器（例如針對汽車應(yīng)用的傳感器）設(shè)有內(nèi)置限流功能，用于保護(hù)輸出級。具體信息，請參閱器件數(shù)據(jù)表。
霍爾效應(yīng)器件的開關(guān)非常快，其上升和下降時間通常在 400 毫微秒范圍內(nèi)。這是少有的顯著優(yōu)勢，因為開關(guān)時間幾乎全部由反應(yīng)更慢的機(jī)械部件控制。
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普通接口電路
圖 17 顯示了霍爾數(shù)字開關(guān)的簡化圖解符號。它能使后面的詳細(xì)說明更易于理解。
圖 17。具有集電極開路輸出級的霍爾效應(yīng)器件（簡化的霍爾電路圖示可在下文的圖中使用）
數(shù)字邏輯集成電路的接口通常只需要一個適用的電源和負(fù)載電阻。
采用消耗電流的邏輯系列電路時，如 DTL 或流行的 7400 TTL 系列（圖18 A），霍爾開關(guān)在開啟時，只須消耗常見電路一個單位負(fù)載的電流（TTL 最大為 1.6 mA）。如果采用 CMOS 門電路（圖 18B），除開關(guān)瞬態(tài)外，只有負(fù)載電阻上有電流通過（此例中約為 0.2 mA）。
圖 18A。TTL 邏輯接口
圖 18B。CMOS 邏輯接口
通常，需要灌電流最高為 20 mA 的負(fù)載能直接由霍爾開關(guān)驅(qū)動。
發(fā)光二極管 (LED) 指示燈是一個很好的例子，它只需要一個電阻將電流限定為一個合適的值。如果在電流為 20 mA 時，LED 的電壓下降 1.4 V，可采用下列公式計算一個 12 V 電源需要使用的電阻：
(12 V - 1.4 V) / 0.02 A = 530 Ω
最近似的標(biāo)準(zhǔn)值是 560 Ω，從而形成了圖 19 所示的電路。
圖 19。能被直接驅(qū)動的小 (≤20 mA) 灌電流負(fù)載的實例
灌電流超過 20 mA 需要使用電流放大器。例如，如果需要 4 A 開關(guān)特定負(fù)載，而且必須在觸發(fā)磁體靠近時開啟，可使用圖 20 所示的電路。
圖 20。驅(qū)動中等 (>20 mA) 灌電流負(fù)載的實例
當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉（磁通量不足以使其工作）時，約 12 mA 的基極電流會通過 1 kΩ 電阻流向 Q1 三極管，從而使其飽和，并將 Q2 的基極電流短接至地，以使負(fù)載保持關(guān)閉。當(dāng)磁體靠近霍爾開關(guān)時，它會開啟，并對 Q1 的基極電流短接至地，并將其關(guān)閉。這允許：
12 V / 56 Ω = 210 mA
的基極電流流向 Q2，該電流足以在負(fù)載電流為 4 A 或更小時使其飽和。
通過配置外部三極管，霍爾開關(guān)能為其“開啟”或“關(guān)閉”狀態(tài)提供負(fù)載電流。例如，圖 21 顯示了使用繼電器開啟 115 或 230 VAC 負(fù)載時，在“開啟”狀態(tài)提供電流的實例。
具有 12 V 線圈的典型繼電器需要 40 與 60 mA 之間（取決于具體繼電器）的電流驅(qū)動，以在“開啟”狀態(tài)觸發(fā)，此時高壓觸點(diǎn)會關(guān)閉。要完成此操作，可采用大小合適的 PNP 晶體管，如圖 21 所示。
圖 21。在霍爾效應(yīng)器件的“關(guān)閉”狀態(tài)提供電流的繼電器驅(qū)動應(yīng)用
當(dāng)霍爾開關(guān)開啟時，9 mA 的基極電流會從 PNP 晶體管的基極流出，從而能使其飽和，并允許其驅(qū)動足夠的電流以觸發(fā)繼電器。當(dāng)霍爾開關(guān)關(guān)閉時，不會有基極電流從 PNP 三極管流出，所以三極管會關(guān)閉，并防止線圈電流通過繼電器。4.7 kΩ 電阻可在 PNP 的基極充當(dāng)負(fù)載電阻，以在霍爾開關(guān)禁用時，使其保持關(guān)閉狀態(tài)。沿繼電器線圈放有一個續(xù)流二極管，以防止因 PNP 突然關(guān)閉導(dǎo)致 PNP 集電極出現(xiàn)開關(guān)瞬變。注意，+12 V 常用電源與 AC 線路的中性線隔離。這提供了一種相對安全的方式，以利用低壓 DC 電路開關(guān)高壓 AC 負(fù)載。像以前一樣，在處理 AC 線電壓時，必須非常小心，而且要采取適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施。
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霍爾開關(guān)的旋轉(zhuǎn)觸發(fā)器
常見應(yīng)用包括使用霍爾開關(guān)產(chǎn)生與速度、位移或轉(zhuǎn)軸位置成比例的數(shù)字輸出。旋轉(zhuǎn)應(yīng)用所需的觸發(fā)磁場能以下列兩種方式提供：
(a) 磁性轉(zhuǎn)子組件
將觸發(fā)的磁體固定在轉(zhuǎn)軸上，固定的霍爾開關(guān)在每次經(jīng)過磁南極時都會被觸發(fā)（圖 22 A 部分）。如果在每次旋轉(zhuǎn)時需要多次觸發(fā)，有時可通過模壓或剪切塑料或橡膠磁性材料制作低成本的轉(zhuǎn)子（參閱廉價替代選項部分）。
圖 22.轉(zhuǎn)子的典型配置：(A) 磁葉片 和 (B) 鐵葉片
也可使用環(huán)形磁體。環(huán)形磁鐵是能在市面上購得的盤片狀磁體，其磁極沿磁鐵的圓周間隔排列。它們能以可靠和低成本的方式控制霍爾開關(guān)。環(huán)形磁鐵也有其應(yīng)用局限：
在需要精確開關(guān)的應(yīng)用中，必須考慮這些局限。
(b) 鐵葉片轉(zhuǎn)子組件
在該配置中，霍爾開關(guān)與磁體都處于靜止?fàn)顟B(tài)（圖 22 B 部分）。轉(zhuǎn)子的每個鐵葉片通過時，會中斷磁通量并使其轉(zhuǎn)向（參閱圖 15）。
葉片開關(guān)比環(huán)形磁鐵略貴，但由于鐵葉片的尺寸和外形能精確控制，所以它們經(jīng)常用于需要精確開關(guān)的應(yīng)用或工作循環(huán)控制中。
正確設(shè)計的葉片開關(guān)能產(chǎn)生斜率很大的磁通量密度曲線，并能在更大的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行精確和穩(wěn)定的開關(guān)動作。
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霍爾開關(guān)應(yīng)用的環(huán)形磁體
磁鐵供應(yīng)商可提供采用各種不同材料和外形生產(chǎn)的，適用于霍爾開關(guān)的環(huán)形磁體。磁極的極性方向可能是放射狀（圖 23 A 部分），也可能是軸心對稱的（圖 23 B 部分），在直徑 25 mm 的環(huán)形磁體上，最多可形成 20 個磁極對。在尺寸和磁極數(shù)一定的情況下，磁極呈軸心對稱分布的環(huán)形磁體具有更高的磁通量密度。
圖 23。常見的環(huán)形磁鐵類型：(A) 徑向與 (B) 軸向；示意圖稍后在列線圖中使用
最常用的材料是不同類型的 Alnico、陶瓷 1 號和以橡膠或塑料為基體材料的鋇鐵氧體（參閱表 4）。制造商通常都會提供現(xiàn)貨尺寸和磁極對的選項。也可選擇專門定制，但這樣會增加成本。
Alnico 是多種鋁鎳鈷合金的統(tǒng)稱，它們具有較廣的磁性范圍。通常，Alnico 環(huán)形磁體具有最高的磁通量密度，當(dāng)溫度變化時，其磁場強(qiáng)度的變化最小，但同時成本也最高。由于它們非常堅硬，因此除非打磨，否則很難使其成形，而且這些材料很脆，這使得軸承或柄軸很難固定。
與 Alnico 磁體相比，陶瓷 1 號磁鐵（商標(biāo)為 Indox、Lodex）的磁通量密度要低一些，當(dāng)溫度變化時，其磁場強(qiáng)度的變化很大。但它們的成本較低，而且具有很強(qiáng)的抵御外部磁場消磁的能力。陶瓷材料可以防止大部分化學(xué)物質(zhì)的侵入，并具有很高的電阻率。與 Alnico 一樣，相比于霍爾開關(guān)和其他半導(dǎo)體，它們具有更出色的耐溫性，如果需要進(jìn)行再成形或修整，必須對其進(jìn)行打磨。它們可能需要一個支撐柄軸，以減少機(jī)械應(yīng)力。
橡膠和鋇鐵氧體環(huán)形磁體在成本、磁通量密度和溫度系數(shù)方面與陶瓷 1 號基本相同，但其很軟，因此采用常規(guī)方法就能對其塑形。在一些應(yīng)用中，還可將其鑄壓在軸上。根據(jù)特定材料的不同，它們的使用溫度限制范圍在 70°C 至 150°C 之間，而且其磁場相對于溫度的變化程度比 Alnico 或陶瓷 1 號要高得多。
無論使用何種材料，環(huán)形磁體在極性位置精度和磁極強(qiáng)度的均勻性方面都受到一定限制，這反過來也限制了輸出波形的精確性。根據(jù)估算，橡膠、塑料和陶瓷磁體上的極性位置通常與目標(biāo)物體相差 ±2° 或 ±3° 以內(nèi)，而實際測得的誤差為 ±5°。磁極到磁極的磁通量密度差通常為 ±5%，雖然也有磁差高達(dá) ±30% 的情況。
圖 24 是直徑 25.4 mm 的典型 4 磁極對陶瓷環(huán)形磁體中，磁通量密度隨角位置變化的曲線圖，其有效總氣隙 (TEAG) 為 1.7 mm（1.3 mm 的間隙加 0.4 mm 的封裝厚度）它清楚地顯示了極性位置誤差和磁極到磁極的磁場強(qiáng)度的變化。
圖 24。環(huán)形磁體的磁通量特性
對環(huán)形磁體的不斷研究，使其具有了足夠的磁通量密度，以形成可靠的開關(guān)切換。在既定尺寸的環(huán)形磁體中，磁極對數(shù)量和磁通量密度之間形成了平衡。因此，磁極數(shù)多的環(huán)形磁體具有更低的磁通量密度。重要的一點(diǎn)是，應(yīng)使有效總氣隙 (TEAG) 保持最小，因為在很多常見的環(huán)形磁體中，霍爾作業(yè)區(qū)的磁通量密度每毫米會降低 200 至 240 G。圖 25 中清楚地顯示了這點(diǎn)，這是在典型的 20 磁極對的塑料環(huán)形磁體中，磁極的磁通量密度隨 TEAG 變化的曲線圖。
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圖 25。窄極距對磁信號強(qiáng)度影響的實例
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雙極霍爾數(shù)字開關(guān)
雙極開關(guān)具有一致的磁滯性，但個別器件的開關(guān)點(diǎn)發(fā)生在相對偏正極或偏負(fù)極的范圍內(nèi)。因為磁場極性的交替確保了開關(guān)點(diǎn)的切換，并且一致的磁滯性確保了周期性，故而這些器件適用于需要緊密排列、南北兩極交替使用的情況，從而導(dǎo)致所需的磁信號幅度 ΔB 最小，但磁場極性的交替能確保開關(guān)，一致的磁滯能確保周期性。
雙極開關(guān)的實例是一個最大工作點(diǎn) BOP（最大）45 G、最小釋放點(diǎn) BRP（最小）–40、最小磁滯 BHYS（最小）15 G 的開關(guān)。但最小工作點(diǎn) BOP（最小）可低至 –25 G，最大釋放點(diǎn) BRP（最大）可增至 30 G。圖 26A 顯示了具有這些開關(guān)點(diǎn)的假設(shè)開關(guān)的特性。圖 26A 頂部的曲線“最小 ΔB”顯示了一個小的振幅如何引起開關(guān)的切換。“單極模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)完全在正極（南極）范圍內(nèi)，“負(fù)單極模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)完全在負(fù)極（北極）范圍內(nèi)，“鎖存模式”開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)會跨越南極和北極范圍（工作方式類似于下節(jié)描述的霍爾器件類型，數(shù)字鎖存）。由圖 26A 底部的 VOUT 曲線可以看出，對于每種可能性，輸出的工作循環(huán)都完全不同，但每個磁極交替處的一致開關(guān)很可靠。
圖 26A。一個雙極開關(guān)可能的開關(guān)點(diǎn)范圍實例（與低磁通振幅、窄間距磁極交替目標(biāo)一起使用）
在前面討論的應(yīng)用中，霍爾開關(guān)在磁南極（正磁通量）靠近時工作（打開）。當(dāng)磁南極移開（磁通量密度接近 0）時，霍爾開關(guān)必須釋放（關(guān)閉）。在環(huán)形磁體上，南北兩極都是交替出現(xiàn)的。釋放點(diǎn)的磁通量密度變得不再重要，因為如果霍爾開關(guān)在磁通量趨于 0（已通過南極）時沒有關(guān)閉，當(dāng)緊隨的北極使磁通量變?yōu)樨?fù)時，它一定會關(guān)閉。雙極霍爾開關(guān)利用這個額外的釋放點(diǎn)磁通量余量來實現(xiàn)更低的工作點(diǎn)通量密度，在環(huán)形磁鐵應(yīng)用中，這是一個明顯的優(yōu)勢。
要查看 Allegro 雙極開關(guān)的最新產(chǎn)品列表，請訪問：霍爾效應(yīng)鎖存與雙極開關(guān)。
雙極數(shù)字開關(guān)設(shè)計實例
給出：
Allegro UA 型封裝內(nèi)的雙極霍爾開關(guān)：有效面積深度 (AAD)（與封裝厚度）為 0.50 mm，
氣隙 (AG)（必要的機(jī)械間隙）為 0.76 mm，
工作溫度范圍：–20°C 至 85°C，
最大工作點(diǎn) BOP 200 G（從 –20°C 至 85°C），
最小釋放點(diǎn) BRP –200 G（從 –20°C 至 85°C）。
計算有效總氣隙 TEAG：
TEAG = AG + AAD
TEAG = 0.76 mm + 0.50 mm = 1.26 mm
確定足以使霍爾開關(guān)工作的磁通量密度 B 加 40%。
要使霍爾開關(guān)工作，磁體必須在整個工作溫度范圍內(nèi)，以 1.26 mm 的距離提供至少 ±200 G 的磁通量密度。正確的設(shè)計實踐需要增加額外的磁通量，以提供一些余量，以應(yīng)對老化、機(jī)械磨損和其他無法衡量的情況。如果要增加 100 G 合理的數(shù)值所需的磁體必須在整個工作溫度范圍內(nèi)，以 1.26 mm 的距離提供 ±300 G 的磁通量密度。
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數(shù)字鎖存
與可能利用磁南極或磁北極釋放的雙極開關(guān)不同，鎖存（本質(zhì)上是雙極）能更精確地控制工作和釋放參數(shù)。這種霍爾集成電路已被設(shè)計為只在磁南極工作（打開）。在磁南極移開后，它一直保持開啟狀態(tài)。為使雙極鎖存釋放（關(guān)閉），必須存在一磁北極。這種南極-北極交替工作如果設(shè)計得當(dāng)，就能產(chǎn)生接近 50% 的工作循環(huán)，如圖 26B 所示。
圖 26B。雙極鎖存特性的實例（用于精確控制工作循環(huán)、磁極交替）
Allegro 提
