超高灵敏度霍尔元件

(铟锑: InSb)

霍尔元件的种类和原理中, 我们介绍了三种霍尔元件:超高灵敏度霍尔元件, 高灵敏度霍尔元件和低漂移霍尔元件。此章节中将介绍超高灵敏度霍尔元件的应用例。

半导体材料 (AKM产品名称)

铟锑: InSb (HW系列)

特征

在3种霍尔元件中灵敏度最高, 因此在瞬间检测磁场变化方面非常出色。另外, 定电压驱动时比定电流驱动时温度特性更稳定。 (参照「霍尔元件的原理和种类」)

代表性应用例

(1) 直流无刷电机

直流无刷电机是指直流电流驱动下旋转的高效率, 易维护的电机。用于空调的风扇电机和白色家电产品的主电机等。作为代表性的直流电机, 可以列举出有刷电, 但有刷电机里切换流过线圈的电流的换向器和供给电源的电刷在物理上要反复接触, 分离, 因此接触部分会磨损, 缩短寿命。直流无刷电机是根据传感器的输出信号进行电动式切换, 所以是长寿命的电机。

直流无刷电机的主要构成部件是磁铁, 霍尔元件, 线圈。如图所示, 在被称为转子的中心部的旋转体上配置磁铁, 使用安装在被称为定子的外侧的固定部分上的霍尔元件, 检测来自转子的磁场。根据各霍尔元件检测出的磁场信息, 使电流流过各个线圈, 制成电磁铁。对电磁铁产生的磁场的强度和方向进行良好的时间控制, 利用转子的磁铁和线圈的电磁铁的排斥, 吸引力使转子旋转。

图1 内转子的DC无刷
图2 直流有刷电机原理

另外, 由于实际的霍尔元件存在偏移电压, 所以会影响霍尔元件检测磁铁位置的时机。下图3 (上) 是用灵敏度高的霍尔元件 (蓝线) 和灵敏度低的霍尔元件 (黄线) 检测磁铁的旋转时的输出电压例。通常没有偏移电压时, 输出电压的正/负切换对应磁铁的N极/S极的切换。但是, 实际上如图所示, 由于存在偏移电压, 所以输出电压的正/负切换和磁铁的N极/S极的切换会产生偏移。

下图3 (下) 是具有偏移电压的霍尔元件, 是根据输出电压的正/负, 检测出N极/S极的切换时的检测时序图。使用灵敏度低的霍尔元件时, 由于偏移电压的影响, S极/N极的检测可见大的占空比偏差。但是,像InSb那样的灵敏度高的传感器, 与偏移电压相, 因为输出电压大, 所以S极/N极的检测的占空比的偏差小。以使用此种霍尔元件为前提, 并使磁铁稳定地旋转的话, 则电机的旋转效率会变好。

图3 利用霍尔元件检测电动机的磁极

(2) 闭环型电流传感器

磁感应式电流传感器是通过测定测定对象的电流线周围产生的磁场 (磁通密度) 来检测电流量的传感器。闭环型电流传感器用于太阳能发电的功率调节器的AC检测部等。关于电流产生的磁通密度, 根据Bio Savar定律, 用下式表示。关于电流产生的磁通密度, 根据Bio Savar定律, 可以用下式表示。

 

B = μ0 /(2πr)× I

 

B: 磁通密度

μ0: 真空导磁率

r: 距电流线的距离

I: 电流

图4 Bio Savar定律

由该式可知, 电流和磁通密度成比例关系, 通过利用霍尔元件测定从电流线产生的磁场, 能够正确地测定流过电流线的电流量。另外, 该方法与以往的在测定对象的电流线上直接加入分流电阻 (电流电压变换用的小电阻) 来测定电压的方法不同, 是使测定对象的电流线和传感器信号在绝缘状态下检测, 该方法具有能够无损失地进行测定的优点。

闭环型电流传感器即使是在磁感应式电流传感器中, 因为有进行反馈控制可以高精度的检测电流量, 所以这是其一大特征。闭环型电流传感器的主要部件是被称为电流线, 集中磁场的磁性体, 线圈, 霍尔元件。以覆盖输入电流线的周围的方式配置铁心, 在铁心的间隙部配置霍尔元件, 再在该铁心上缠绕线圈。使电流在输入电流线中流动时, 产生的磁场被集中在磁芯,施加在霍尔元件上。

反馈电路以该霍尔元件的输出电压为基准, 为了生成与输入电流产生的磁场相反的磁场, 给卷绕在铁心上的线圈通电, 进行校正霍尔元件的输出电压, 使其输出电压始终为0V。根据此时流过线圈的电流量, 可以计算流过输入电流线的电流量。闭环型电流传感器检测霍尔元件的输出电压是否为0[V], 所以通过使用灵敏度高的InSb, 可以高精度地检测电流量。

图5 闭环型电流传感器