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若磁感应强度B的方向与霍尔片平面法线夹角为θ时,如P127,图8-2所示,此时实际作用于霍尔片的有效磁场是其法线方向的分量,即Bcosθ,其霍尔电势为:
UH=KHIBcosθ
注意:当控制电流的方向或磁场方向改变时,输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势并不改变方向。
通常应用时,霍尔片两端加的电压为E,如果将霍尔电势中的电流I改写成E,可使计算方便,根据
由上式可知,适当地选择材料迁移率(μ)及霍尔片的宽长比(b/L),可以改变霍尔电势UH值。
三、霍尔元件材料及结构特点
霍尔器件片
a)实际结构(mm);(b)简化结构;(c)等效电路
外形尺寸:××;有效尺寸:××
d
s
l
(b)
A
B
C
D
(a)
w
电流极
霍尔电极
R4
A
B
C
D
R1
R2
R3
R4
(c)
霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或霍尔电极、输出端。
若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。
电流电极间的电阻,称为输入电阻,或者控制内阻。
霍尔端子间的电阻,称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。
器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。
电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。
B
关于霍尔器件符号,名称及型号,国内外尚无统一规定,为叙述方便起见,暂规定下列名称的符号。
H
霍尔元件符号
A
A
A
B
B
C
C
C
D
D
D
控制电流I;
霍尔电势UH;
控制电压V;
霍尔负载电阻RL;
霍尔电流IH。
图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL,RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下,由负载上获得电压。
UH
RL
V
B
I
E
IH
霍尔器件的基本电路
R
实际使用时,器件输入信号可以是I或B,或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。
四、基本电路形式
五、基本特性
-I特性
当磁场(B)恒定时,在一定温度下,测定控制电流I与霍尔电势UH,可得到良好的线性关系,如图P129,图8-7。直线的斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示,
由此可得,灵敏度KH大的元件,其控制电流灵敏度KI一般也大。但是灵敏度大的元件,UH不一定大,因为UH还与I有关。
-B特性
当控制电流I保持不变时,元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系,而有非线性偏离。如P129图8-8
六、误差分析及其补偿方法
实验表明,当L/b>2时,形状系数fH(L/b)接近1。为了提高元件的灵敏度,可适当增大L/b值,实际设计时取L/b=2就足够了。
(1)几何尺寸对性能的影响
在霍尔效应原理分析时,我们是将霍尔片的长度L看作无穷大来考虑的。实际上,霍尔片的长度是有限的,如果L太小,当小到某个极限值时,霍尔电场会被控制电流极短路,因此在霍尔电势的表达式中增加一项与几何尺寸有关的系数,
(2)电极焊点大小对性能的影响
霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定的影响,如P130图8-10所示。按理想元件的要求,控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触,而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上,霍尔电极有一定的宽度,它对元件的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明,当时,电极宽度的影响可忽略不计。
制作霍尔元件时,不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图,当控制电流I流过元件时,即使磁感应强度等于零,在霍尔电势极上仍有电势存在,该电势称为不等位电势U0。不等位电势是产生零位误差的主要原因。其等效电路如图所示,若两个霍尔电极在同一等位面上,则r1=r2=r3=r4,电桥平衡,U0=0。当霍尔电极不在同一等位面上时(如图),因r3增大、r4减小,电桥平衡被破坏,使U0≠0。有各种方法可以减小不等位电势以达到补偿的目的。(如P131,图8-13)
不等位电势示意图
U0
r4
r2
r3
r1
霍尔元件的等效电路