如何用3D動畫講解霍爾效應原理

3D動畫講解霍爾效應原理

什么是霍爾效應？

霍爾效應是由帶電粒子（如電子）相應電場和磁場的相互作用引起的。更為形象生動的大家可以看下面這個霍爾效應原理動畫圖。

霍爾效應原理動圖畫來源于外網

霍爾效應原理

當導電板連接到帶有電池的電路時，電流開始流動。電荷載體將沿著從板的一端到另一端的線性路徑。電荷載流子的運動導致磁場的產生。當磁體靠近板放置時，電荷載流子的磁場會發生畸變。這擾亂了電荷載流子的直線流動。擾亂電荷載流子流動方向的力稱為洛倫茲力。

由于電荷載流子磁場的畸變，帶負電的電子將偏轉到板的一側，而帶正電的空穴將偏轉到板的另一側。在板的兩側之間會產生一個電位差，稱為霍爾電壓，可以用儀表測量。

霍爾效應和洛倫茲力，藍色箭頭 B 表示垂直穿過導電板的磁場霍爾效應原理表明：當將載流導體或半導體引入垂直磁場時，可以在電流路徑成直角的位置測量電壓。霍爾電壓表示為 VH 由公式給出：

霍爾電壓公式

VH 是導電板上的霍爾電壓

I 是流過傳感器的電流

B 是磁場強度

q 是電荷

n 是每單位體積的電荷載流子的數量

d 是傳感器的厚度

霍爾效應傳感器原理

當傳感器周圍的磁通密度超過某個預設閾值時，傳感器會檢測到它并產生稱為霍爾電壓 VH 的輸出電壓。具體的原理如下圖所示。

霍爾效應傳感器基本上由一塊薄薄的矩形 p 型半導體材料組成，例如砷化鎵 (GaAs)、銻化銦 (InSb) 或砷化銦 (InAs)，其自身通過連續電流。

霍爾效應傳感器原理圖當霍爾效應傳感器放置在磁場中時，磁通量線對半導體材料施加一個力，使載流子、電子和空穴偏轉到半導體板的任一側。電荷載流子的這種運動是它們穿過半導體材料時所經歷的磁力的結果。當這些電子和空穴向側面移動時，由于這些電荷載流子的積累，在半導體材料的兩側之間會產生電位差。然后，電子通過半導體材料的運動受到與其成直角的外部磁場的影響，這種影響在扁平矩形材料中更大。霍爾效應提供有關磁極類型和磁場大小的信息。例如，南極會使設備產生電壓輸出，而北極則不會產生任何影響。通常，霍爾效應傳感器和開關設計為在不存在磁場時處于“關閉”狀態（開路狀態）。它們只有在受到足夠強度和極性的磁場時才會“打開”（閉路條件）。

霍爾效應傳感器

在最簡單的形式中，傳感器作為模擬傳感器工作，直接返回電壓。在已知磁場的情況下，可以確定其與霍爾板的距離。使用傳感器組，可以推斷出磁體的相對位置。

通常，霍爾效應傳感器與允許設備以數字（開/關）模式運行的電路相結合，并且在此配置中可能被稱為開關。下圖為包含兩個磁鐵的輪子經過霍爾效應傳感器，可以明顯的看到燈的變化。

包含兩個磁鐵的輪子經過霍爾效應傳感器

霍爾效應傳感器

大多數霍爾效應器件不能直接切換大型電氣負載，因為它們的輸出驅動能力非常小，大約為 10 到 20mA。對于大電流負載，在輸出中添加一個集電極開路（電流吸收）NPN 晶體管。如下圖所示：

該晶體管在其飽和區域中作為 NPN 灌電流開關工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預設點的磁通密度，就會將輸出端子短接到地。輸出開關晶體管可以是發射極開路晶體管、集電極開路晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類型配置，該配置可以吸收足夠的電流以直接驅動許多負載，包括繼電器、電機、LED 和燈。

典型的霍爾效應開關圖霍爾效應傳感器可提供線性或數字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號直接取自運算放大器的輸出，輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場成正比。該輸出霍爾電壓為：

霍爾電壓公式圖

V H是以伏特為單位的霍爾電壓

R H是霍爾效應系數

I是流過傳感器的電流，單位為安培

t是傳感器的厚度，單位為 mm

B是特斯拉的磁通量密度

線性或模擬傳感器提供連續的電壓輸出，該輸出隨強磁場增加而隨著弱磁場減少。在線性輸出霍爾效應傳感器中，隨著磁場強度的增加，來自放大器的輸出信號也會增加，直到它開始因施加電源的限制而飽和。磁場的任何額外增加都不會對輸出產生影響，但會使其更加飽和。

霍爾傳感器測量方法--磁場的運動路徑

霍爾效應傳感器由磁場激活，在許多應用中，該設備可以通過連接到移動軸或設備的單個永磁體來操作。有許多不同類型的磁鐵運動，例如“正面”、“側身”、“推拉”或“推-推”等感應運動。

使用每種類型的配置，以確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設備的感應區域，并且必須具有正確的極性。此外，為了確保線性，需要高場強磁鐵，以便為所需的運動產生較大的場強變化。檢測磁場有多種可能的運動路徑，以下是使用單個磁體的兩種更常見的傳感配置：正面檢測和側向檢測。 1、霍爾傳感器測量方法--正面檢測顧名思義，“正面檢測”要求磁場垂直于霍爾效應傳感設備，并且為了檢測，它直接朝向有源面接近傳感器。一種“正面”的方法。

這種正面方法會產生一個輸出信號VH，它在線性器件中表示磁場強度，即磁通量密度，它是距霍爾效應傳感器的距離的函數。距離越近，磁場越強，輸出電壓越大，反之亦然。線性器件還可以區分正磁場和負磁場。非線性裝置可以在遠離磁鐵的預設氣隙距離處觸發輸出“ON”，以指示位置檢測。 2、霍爾傳感器測量方法--側身檢測第二種傳感配置是“橫向檢測”。這需要在霍爾效應元件的表面上橫向移動磁鐵。當磁場在固定氣隙距離內穿過霍爾元件的表面時，側向或滑過檢測對于檢測磁場的存在很有用，例如，計算旋轉磁鐵或電機的旋轉速度。