霍爾效應(yīng)
置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個(gè)現(xiàn)象是霍普斯金大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量已成為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。如今，霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用該效應(yīng)制成的霍爾器件，由于結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場如圖1所示，假設(shè)有一塊寬為a，厚為b的N型半導(dǎo)體(載流子為電子)，電流I沿y軸方向通過，磁場B沿：軸方向，電子電量為q， 則橫向電場在D、E兩表面間產(chǎn)生的電勢差霍爾電勢差U_H為：



式中，n為樣品中載流子的濃度，令為霍爾系數(shù)，其單位為m³ /C (R_H是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù))，則有：



由式(1)、式(2)可得如下結(jié)論：
(1) 載流子若為電子，霍爾系數(shù)為負(fù)，則U_H<0；反之，若載流子為空穴，霍爾系數(shù)為正，則U_H >0。若實(shí)驗(yàn)中能測得樣品電流強(qiáng)度I磁感應(yīng)強(qiáng)度B，霍爾電壓U_H，樣品厚度b(實(shí)驗(yàn)室給出)，就可求出霍爾系數(shù)R_H值。根據(jù)R_H 的正負(fù)，可以判定半導(dǎo)體樣品導(dǎo)電的類型(N或P型)。

(2) 霍爾電勢差U_H與載流子濃度n成反比，薄片材料的載流子濃度n越大(霍爾系數(shù)U_H越小)，霍爾電勢差Uk就越小。一般金屬中的載流子是自由電子，其濃度很大約10²² /cm³)，所以金屬材料的霍爾系數(shù)很小，霍爾效應(yīng)不顯著。

但半導(dǎo)體材料的載流子濃度要比金屬小得多，能夠產(chǎn)生較大的霍爾電勢差，從而使霍爾效應(yīng)有了實(shí)用價(jià)值，這個(gè)效應(yīng)對金屬來說是不顯著的，但對半導(dǎo)體卻非常顯著。因此用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，霍爾效應(yīng)明顯，靈敏度較高，具有廣泛的應(yīng)用，可用于磁場測量、功率測量及作為模擬運(yùn)算的乘法器，應(yīng)用到非電量測量方面，同時(shí)可作為壓力、位移和流量測量的傳感器。

霍爾開關(guān)在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用
無刷直流電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率，并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。

直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部，電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時(shí)，速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾開關(guān)，作為速度之閉合回路控制，同時(shí)也作為相序控制的依據(jù)，如圖2所示。

霍爾開關(guān)和電動機(jī)本體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子-一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子是由若干個(gè)霍爾元件，按一定的間隔， 等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。圖3為霍爾開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

霍爾開關(guān)的基本功能是在電動機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動機(jī)的一個(gè)換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在360°機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。

可以看出，要構(gòu)成1個(gè)霍爾開關(guān)必須滿足以下兩個(gè)條件：
(1) 位置傳感器在1個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)所占的電角度應(yīng)相等。

(2) 位置傳感器在1個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。

如果位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動機(jī)的換向狀態(tài)對應(yīng)起來，進(jìn)而完成換向。