汽车霍尔传感器的原理和应用.docx
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汽车霍尔传感器的原理和应用
汽车霍尔传感器的原理和应用
1前言
霍尔传感器是全世界排名第三的传感器产品,它被宽泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴花费电子领域。
将来几年,跟着愈来愈多的汽车电子和工业设计公司转移到中国,霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增添。
与此同时,霍尔传感器的有关技术仍在不停完美中,可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场远景。
隨着霍尔传感器愈来愈宽泛地应用在汽车电子等领域,关怀它的人也愈来愈多,这里我们将介绍汽车霍尔传感器的原理和应用。
2霍尔效应原理和霍尔元件
图1
图1中在一块半导体薄片H上A+,A-两电极之间通电,加上和片子表面垂直的磁场B,在薄片的横向双侧电极C1,C2之间会出现一个电压VH,这种现象就是霍尔效应,是由美国科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。
VH称为霍尔电压。
这种现象的产生,是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹
力的作用下,分别向片子横向双侧偏转和聚集,因此形成一个电场,称作霍尔电场。
霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻挡载流子持续聚积,直到霍尔
电场力和洛仑兹力相等。
这时,片子双侧成立起一个稳固的电压VH,这就是霍
尔电压,这个半导体薄片称为霍尔元件。
霍尔元件可用多种半导体资料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP等等。
3.霍尔集成电路
霍尔集成电路是汽车霍尔传感器的中心部分,它将很多非电、非磁的物理量比如力、力矩、压力、应力、地点、位移、速度、加快度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变为电量来进行检测和控制。
霍尔集成电路是由霍尔元件、差分放大器等电子元器件集成到同一块半导
体芯片上构成,是一种磁敏传感器。
能够检测磁场及其变化,可在各样与磁场有
关的场合中使用。
霍尔集成电路是以霍尔效应原理为基础工作的。
霍尔集成电路拥有很多长处,它们的构造坚固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频次高,耐震动,不怕尘埃、油污、水汽及盐雾等的污染或腐化。
依据霍尔集成电路的功能可将它们分为:
霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路。
前者输出模拟量,后者输出数字量。
霍尔线性集成电路的精度高、线性度好;霍尔开关集成电路无触点、无磨损、输出波形清楚、无颤动、无回跳、地点重复精度高。
采纳了各样赔偿和保护举措的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。
霍尔集成电路的分类以下:
霍尔线性集成电路
它由霍尔元件、差分放大器和射极跟从器构成。
其输出电压和加在霍尔元
件上的磁感强度B成比率,它的功能框图和输出特征示于图2和图3。
这种电路有很高的敏捷度和优秀的线性度,合用于各样磁场检测,典型的霍尔线性集成电路的技术指标如表1所示。
图2
霍尔线性电路的磁电变换特征曲
线
图3功能框图
表1
霍尔线性电路的特征参数
Vcc
线性范
工作温度
敏捷度
静态输出电压
型号
围mT
Vo/V
V
℃
S/mV/mT
min
mid
max
min
mid
max
SS495
4.5~10
±70
-40~+125
15
--
35
A3503
4.5~6
±90
-40~+125
10
20
30
3.2.霍尔开关集成电路
霍尔开关集成电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯
密特触发器和输出级构成。
在外磁场的作用下,当磁感觉强度超出导通阈值BOP
时,霍尔电路输出管导通,输出低电平。
以后,B再增添,仍保持导通态。
若外
加磁场的B值降低到BRP时,输出管截止,输出高电平。
我们称BOP为工作点,
BRP为开释点,BOP-BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗扰乱能力加强。
霍尔开关电路的功能框见图4。
图4(a)表示集电极开路(OC)输出,(b)表示双输出。
它们的输出特征见图5,图5(a)表示一般霍尔开关,(b)表示锁定型霍尔开关的输出特征。
(a)单OC输
出(b)双OC输出
图4霍尔开关集成电路的功能框
图
(a)开关型输出特
性(b)锁定型输出特征
图5霍尔开关集成电
路的输出特征
一般规定,当外加磁场的南极(S极)靠近霍尔电路外壳上打有标记的一面时,作用到霍尔电路上的磁场方向为正,北极靠近标记面时为负。
锁定型霍尔开关电路的特色是:
当外加场B正向增添,达到BOP时,电路导通,以后不论B增添或减小,甚至将B除掉,电路都保持导通态,只有达到负向的BRP时,才改变为截止态,因此称为锁定型。
典型的霍尔开关电路的性能参数见表2。
表2霍尔开关电路的特征参数
VCC
Bop
BRP
BH
Icc
Io
Vo
Ioff
型号
备注
V
mT
mT
mT
mA
mA
V
μA
A3144
~24
7~35
5~33
≥2
≤9
25
≤
≤10
开关型
A3140
~24
7~20
5~18
≥2
≤9
25
≤
≤10
开关型
A31754.5~242~20-20~-2≥2≤825≤≤10锁定型
霍尔集成电路的磁路设计原理
汽车霍尔传感器除了它的中心部分霍尔集成电路之外,相对应的磁路设计是另一个相当重要的部分。
用磁场作为被传感物体的运动和地点信息载体时,一般采纳永远磁钢来产生工作
磁场。
比如,用一个的钕铁硼磁钢,便可在它的磁极表面上获得约200~300mT的磁感觉强度。
在气隙中,磁感觉强度会随距离增添而快速降落。
为保证霍尔集成电路的靠谱工作,在应用中要考虑有效工作气隙的长度。
在计算总有效工作气隙时,应从霍尔芯片表面算起。
在封装好的霍尔集成电路中,霍尔芯片的深度在产品手册中会给出。
因为霍尔集成电路需要工作电源,在作运动或地点传感时,一般令磁体随被
检测物体运动,将霍尔集成电路固定在工作系统的适合地点,用它去检测工作磁场,再从检测结果中提取被检信息。
工作磁体和霍尔集成电路间的运动方式有:
(a)对移;(b)侧移;(c)旋转;(d)遮断。
如图7所示,图中的TEAG即为总有效工作气隙。
图7霍尔器
件和工作磁体间的运动方式
在遮断方式中,工作磁体和霍尔集成电路以适合的空隙相对固定,用一软磁
(比如软铁)翼片作为运动工作零件,当翼片进入空隙时,作用到霍尔器件上的磁力线被部分或所有遮断,以此来调理工作磁场。
被传感的运动信息加在翼片上。
这种方法的检测精度较高,遮断用的翼片依据不一样的功能要求能够设计成不一样的形状,图8就是一些翼片的外形。
图8
图9在霍尔集成电路反面搁置磁体
也可将工作磁体固定在霍尔集成电路反面(外壳上没打标记的一面),如
图9所示让被检的铁磁物体(比如钢齿轮)从它们近旁经过,检测出物体上的特别标记(如齿、凸缘、缺口等),得出物体的运动参数。
霍尔集成电路与外电路的接口
霍尔开关集成电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管,其使用
规则和一般的NPN开关管同样。
输出管截止时,输漏电流很小,一般只有几nA,
能够忽视,输出电压和其电源电压邻近,但电源电压最高不得超出输出管的击穿
电压(即规范表中规定的极限电压)。
输出管导通时,它的输出端和线路的公共
地导通。
所以,一定外接一个电阻器(即负载电阻器)来限制流过管子的电流,
使它不超出最大同意值(一般为20mA),免得破坏输出管。
以与发光二极管的接口为例,对负载电阻器的选择作一预计。
若在Io
为20mA(霍尔电路输出管同意吸入的最大电流),发光二极管的正向压降
,当电源电压VCC=12V时,所需的负载电阻器的阻值(4),和这个
阻值最靠近的标准电阻为560Ω,所以,可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。
图10表示与各样电路的接口:
(a)与TTL电路;(b)与CMOS电路;(c)与LED。
图10霍尔开关与
电路接口举例
4.霍尔传感器在汽车电子领域的应用
霍尔曲轴和凸轮轴地点传感器
4.1.1功用与种类
曲轴地点传感器(CrankshaftPositionSensor,CPS)又称为发动机转速与
曲轴转角传感器,其功用是收集曲轴转动角度和发动机转速信号,并输入电子控制单元(ECU),以便确立点火时辰和喷油时辰。
凸轮轴地点传感器(CamshaftPositionSensor,CPS)又称为气缸辨别传感器
(CylinderIdentificationSensor,CIS),为了差别于曲轴地点传感器(CPS),
凸轮轴地点传感器一般都用CIS表示。
也叫同步信号传感器,它是一个气缸鉴别
定位装置,向ECU输入凸轮轴地点信号,是点火控制的主控信号。
4.1.2构造和工作原理
霍尔曲轴和凸轮轴地点传感器内部都釆用了一个由霍尔开关集成电路和遮断方
式的磁路设计(图7中d的磁路方式)制成的霍尔翼片传感器,该传感器主要由霍尔集成电路、永远磁铁和导磁片构成。
霍尔集成电路与永磁铁之间有1mm的空隙,导磁片又称信号转子安装在进气凸轮上,用螺栓和座圈固定。
信号转子的隔板又叫做叶片,在隔板上有一个窗口,窗口对应产生的信号为低电平信号,隔板对应产生的信号为高电平信号。
,当信号转子随进气凸轮轴一起转动时,隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的空隙中转过。
当信号转子的隔板进入空隙时,霍
尔集成电路中的磁场被旁路,霍尔元件上没有磁力线穿过,霍尔电压UH为零,集成电路输出级三极管截止,传感器输出的信号电压为高电位,约;当信号转子的隔板走开空隙时,永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回
路,集成电路输出级三极管导通,传感器输出的信号电压为,为低电位。
霍尔传感器工作原理的立体构造图见图11。
图11霍尔传感器工
作原理的立体构造图
发动机工作时,曲轴地点传感器和凸轮轴地点传感器产生的信号不停地输人ECU。
当ECU同时接收到曲轴地点传感器大齿缺对应的低电位信号(15°)和凸轮轴地点传感器窗口对应的低电位信号时,能够辨别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程,并依据曲轴地点传感器小齿缺对应输出的信号控制点火提早角。
因为凸轮轴地点传感器与曲轴地点传感器同时输出信号,凸轮轴地点传感器信号作为判缸信号,所以凸轮轴地点传感器也叫做同步信号传感器,它的安装地点见图12,构造见图13。
桑塔纳2000Gli轿车的霍尔式凸轮轴地点传感器与ECU的连结电路如图14所示。
该传感器G40导线连结器有三个接线端子,1为传感器电源正极端子;2为
传感器信号输出端子;3为传感器电源负极端子。
这三个端子分别与ECU的76和67端子相连。
62、
图12霍尔式凸轮轴地点传感器安装地点
4.2上海别克24X霍尔曲轴地点传感器
24X曲轴地点传感器的功用
供给24X参照信号,24X参照信号用于在发动机低速时改良怠速点火正时控制。
在发动机转速低于1200r/min时,PCM利用24X参照信号计算发动机转速和曲轴地点。
安装地点:
如图15所示24X曲轴地点传感器安装在发动机右前手下侧
图16为24X曲轴地点传感器的电路图
重点词:
传感器、压力传感器
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