【正文】 數(shù)電路的設(shè)計(jì) 霍爾效應(yīng)1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 21Jun2022 Sheet of File: C:\Documents and Settings\lenovo\圖圖\ By:abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdpabfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp abfcgde DPY1234567abcdefg8dpdp 圖 214 霍爾效應(yīng)原理圖如圖 214 所示的金屬或半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通過控制電流 I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度位 B 的磁場，那么，在垂直于電流和磁場的方向上（即霍爾輸出端之間）將產(chǎn)生電動熱 （霍爾電動勢或霍爾電壓） 。這HU種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛侖茲力作用的結(jié)果。假設(shè)在 N 型半導(dǎo)體薄片的控制電流端通過電流 I，那么，半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著和電流相反的方向運(yùn)動，若在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加一磁場 B，則由于洛侖茲力fL 的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)（fL 和 v 之間所夾線的方向） ，并使該邊積累電子，而另一邊則積累正電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的電場力 fE 與羅倫次力 fL 相等時(shí)，電子的累積便達(dá)到動態(tài)平衡。這時(shí)，在薄片兩橫斷面之間建立的電場稱為霍爾電場 ，相應(yīng)的電HE動勢就稱為霍爾電勢 。霍爾電動勢的大小正比于控制電流 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的乘積。HU稱為霍爾元件的靈敏度，它是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸K出霍爾電壓大小的一個(gè)重要參數(shù)，一般要求它越大越好霍爾元件的靈敏度與元件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。由于半導(dǎo)體（尤其是 N 型半導(dǎo)體）的霍爾元件常數(shù) 要比金屬的大的多，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用 N 型半導(dǎo)體材料HR制作霍爾元件。此外，元件的厚度 d 對靈敏度的影響也很大，元件的厚度越薄，靈敏度越高。所以霍爾元件的厚度一般都比較薄。當(dāng)控制電流的方向或磁場的方向改變時(shí)，輸出電動勢的方向也將改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電動勢并不改變原來的方向。 計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)沿用了傳統(tǒng)煤氣表的氣量計(jì)量部分，這樣，就能夠節(jié)省大量的人力，物力，財(cái)力等。將霍爾元件 H 固定在轉(zhuǎn)軸附近，當(dāng)貼在轉(zhuǎn)軸上的小磁鋼轉(zhuǎn)過 H時(shí)，霍爾元件 HZ4 就會產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，經(jīng)斯密特觸發(fā)器倒相整形，送到 AT89C51 的端產(chǎn)生一次耗氣量計(jì)數(shù)中斷。當(dāng)節(jié)余氣量為臨界值時(shí)，聲光提醒去購氣，0INT節(jié)余量為零時(shí)則置相應(yīng)標(biāo)志，回主程序后立即關(guān)氣。 霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)霍爾元件一般采用具有 N 型的鍺、砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。鍺元件的輸出小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。砷化銦元件的輸出信號不是很大，但是受溫度的影響卻很小，而且線性度也比較好。因此，采用砷化銦為霍爾元件的材料受到普遍重視。在選用霍爾元件時(shí)，要根據(jù)具體應(yīng)用場合和要求來選用不同材料的元件。例如，用于一般測量指示儀表中，大多采用鍺和砷化銦元件。本設(shè)計(jì)采用的是 HZ4 型霍爾傳感器。它的參數(shù)如下：電阻率—(Ωcm),幾何尺寸—84（mm） ，輸入電阻—45％+2％（Ω） ，輸出電阻 40％+20％（Ω） ，靈敏度—〉4（mV/） ，不等位電阻—（Ω） ，寄生直流電動勢—100(uF),額定控制電流—50（mA)，霍爾電動勢溫度系數(shù)—％（1/C）,熱阻—（℃/mW）,工作溫度— 40～+75（℃） 。 可燃?xì)鈭?bào)警電路的設(shè)計(jì) 煤氣是有毒可燃?xì)怏w，當(dāng)空氣中達(dá)到一定濃度時(shí)，將危及人的健康與安全。本電路線路簡單，但具有很高的靈敏度，對探測有毒氣體是行之有效的。 傳感器用 MQN10 氣敏傳感器作為探測頭，它是一種新型的低功耗高靈敏的氣敏元件。 探測報(bào)警電路圖 215 為探測報(bào)警電路。和其他氣敏傳感器一樣，MQN10 也有一個(gè)加熱絲和一對探測電極，它是用 N 型半導(dǎo)體材料制成的。 當(dāng)空氣不含有毒氣體時(shí)，A,K 兩點(diǎn)間的電阻很大，流過 RP 的電流很小，K點(diǎn)為低電位，達(dá)林頓管 U850 不導(dǎo)通；當(dāng)空氣中含有還原性氣體時(shí)（如煤氣時(shí)） ，A,K 兩點(diǎn)間的電阻迅速下降，通過 RP 的電流增大，K 點(diǎn)電位升高，向 C2 充電直至達(dá)到 U850 導(dǎo)通電位（約 ） ，U850 導(dǎo)通，驅(qū)動發(fā)聲集成片 KD9561 發(fā)聲。 當(dāng)空氣中有毒氣體濃度下降致使 A,K 兩點(diǎn)間恢復(fù)高阻時(shí)，K 點(diǎn)電位低于，U850 截至，報(bào)警解除。圖 215 有毒氣體探測報(bào)警電路 調(diào)試 將 300ppm 濃度的氣體充入塑料袋中，將探測頭也封入塑料袋中，調(diào)節(jié)電位器 RP 直至使 VT 導(dǎo)通發(fā)聲報(bào)警為止?？扇?xì)鈧鞲衅?MQN10 感應(yīng)到可燃?xì)鉂舛冗^量時(shí)，有一正跳變經(jīng)施密特觸發(fā)器倒相整形后送到 ，當(dāng)查詢到 低時(shí)則程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行聲光報(bào)警。光報(bào)警時(shí)終止正常顯示，利用顯示器中的一位特定字符來指示，聲報(bào)警由 控制。低功耗工作時(shí)， 送出一高電平停止 MQN10 的工作。 電源電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用市電結(jié)合充電電池雙重供電。當(dāng)市電供電時(shí)，煤氣表工作于正常狀態(tài)。當(dāng)市電停電時(shí)，鋰電池自動續(xù)接供電。CPU 查詢到 為高即知斷市電，煤氣表轉(zhuǎn)入低功耗待機(jī)工作狀態(tài)，主要功能都可通過中斷請求得以保持。此時(shí)停止顯示及可燃?xì)鈭?bào)警這兩部分耗電較大的電路的工作，平均耗電流可降至 以下，鋰電池滿電量為 1300mAh，電池可維持工作時(shí)間為 5 年?？梢婋p供電方案與單獨(dú)電池供電相比可靠性提高。萬一電池供電時(shí)電壓降至 ，比較器 LM393 正跳變觸發(fā)單穩(wěn)電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，引起 中斷，該中斷服務(wù)程序通過查詢 為高確認(rèn)是電池欠壓，1INT返回主程序后立即關(guān)氣。 電子設(shè)備中所用的直流電源，通常是由電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過整流，濾波和穩(wěn)壓以后得到的。對于直流電源的主要要求是輸出電壓幅值穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動時(shí)能基本保持不變，直流輸出電壓平滑，脈沖成分小，交流電變換成直流電時(shí)轉(zhuǎn)換效率高。這種電源可以直接使用干電池，但比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法是利用由交流電源經(jīng)過交換而成的直流電源。方框圖 216 中電源變壓器用來把 220V 的市電變成合適的電壓；整流是把交變的電壓（電流）變成單方向的脈動電壓（電流） ；濾波器的作用是把脈動的電源要求更高，就需要穩(wěn)壓部分，穩(wěn)壓電路的作用是可使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載阻抗變化時(shí)，基本保持穩(wěn)定。 電網(wǎng)電壓 負(fù)載　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖 216 直流電源產(chǎn)生過程電源變壓器 整流電路 濾波器 穩(wěn)壓電源 電源變壓器 電網(wǎng)提供的交流電一般為 220V 或 380V，而各種電子設(shè)備所需要的直流電壓幅值，卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后經(jīng)將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值?？梢愿鶕?jù)不同的設(shè)備需要選擇一定的變壓比 K=U1/U2。圖 217 電壓變換 單相整流電路 二極管具有單向?qū)щ娦?，因此可以利用二極管的這一特性組成整流電路，將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動電壓。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波，單相全波和單相橋式整流電路。在分析整流電路的性能時(shí)，主要考察以下幾項(xiàng)參數(shù)：整流電路的輸出電壓（即輸出電壓平均值） ，整流輸出電壓脈動系數(shù) S，整流二極管正向平均電流0U Di和最大反向峰值電壓 。前兩項(xiàng)參數(shù)表征整流電路的質(zhì)量，后兩項(xiàng)參數(shù)體現(xiàn)了RMV整流電路對二極管的要求，可以根據(jù)后面兩項(xiàng)參數(shù)來選擇適用的器件。單相半波整流電路：經(jīng)過半波整流以后，負(fù)載上得到的直流電壓幅值只有變壓器副邊電壓有效值的 45%。而且，這個(gè)結(jié)果是在理想情況下得出的，如果考慮導(dǎo)電時(shí)電流在整流電路內(nèi)阻（包括二極管的正向內(nèi)阻和變壓器的等效內(nèi)阻）上的壓降，則 的數(shù)值還要低。Ui單相半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少。但是其缺點(diǎn)也很明顯，輸出波形脈動大；直流成分比較低；變壓器有半個(gè)周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器電流含有直流成分，容易飽和。所以，只能用在輸出電流較小，要求不高的地方。 單相全波整流電路是在半波整流電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而得到的。除了脈動系數(shù)仍然比較大的缺點(diǎn)外，必須采用具有中心抽頭的變壓器，而且每個(gè)線圈只有一半時(shí)間通過電流，所以變壓器的利用率不高。在同樣的變壓器副邊電壓 U2 之下，半波整流電路的輸出直流電壓最低，而動系數(shù)最高。橋式整流電路和全波整流電路當(dāng) U2 相同時(shí)，輸出直流電壓相等，脈動系數(shù)也相同，但橋式整流電路中每個(gè)整流管所承受的反向峰值電壓比全波整流電路低。因此，它的應(yīng)用比較廣泛。故本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路用四只整流二極管組成電橋的形式，常用畫法見圖 218。圖 218 單相橋式整流電路2．單相橋式整流電路的工作原理當(dāng)電流在 0≤ωt≤π 的正半周期時(shí)，變壓器副邊 a 端為正，b 端為負(fù)，則二極管 D1，D2 處于正向偏置而導(dǎo)通，同時(shí)二極管 D3，D4 則處于反向偏置而截至。電流自變壓器 a 端經(jīng)二極管 D1，負(fù)載 R2，二極管 D2 返回變壓器副邊 b 端。當(dāng)電源在 π≤ωt≤2π 半周時(shí)，變壓器副邊 a 為負(fù)，b 為正，這時(shí)二極管D3，D4 因正向偏置而導(dǎo)通，D1，D2 因反向偏置而截至，電流經(jīng) D3，D4 二極管構(gòu)成通路，負(fù)載上電壓同樣是上正下負(fù)，就是說電源的負(fù)半周也被整流出來。圖 219 為橋式整流波形。U2 0 ωtU00 ωt圖 219 橋式整流波形3．各電量的關(guān)系 設(shè) = sinωt 公式（21）2u2U 輸出電壓平均值 = 公式（22）0td??sin21? 輸出電流平均值 = = 。 公式（23）0ILRU29.由于兩組二極管輪流導(dǎo)通，每組管子只工作半個(gè)周期，流過每組二極管的平均電流為輸出電流的一半 = = 。由電路可知截止的二極管所承DI210LR2受的反向電壓 的最大值，即= 。二極管的平均電流和最大反向2URFMU2電壓可作為組成濾波橋式整流電路時(shí)，選擇整流二極管的依據(jù)。 濾波電路變壓器經(jīng)整流后變成了單方向的電壓，但是脈動成分很大，為減小直流電壓的脈動程度，提高其平穩(wěn)程度，就需要增加濾波電路。本設(shè)計(jì)采用的是電容濾波電路。圖 220 是在整流電路后面接在負(fù)載 兩端并聯(lián)一個(gè)大容量的電容LUC。圖 220 電容濾波電路濾波電路的工作原理電容濾波是根據(jù)在電容器兩端的電壓不能突變的原理制成的。當(dāng)電路接通時(shí)，二極管 D 導(dǎo)通，輸出電流在流經(jīng)負(fù)載 的同時(shí)，還向電容器 C 充電，充電LR常數(shù) T= C 很小。電容兩端的電壓將跟隨電源而呈正弦規(guī)律。圖 221 所示當(dāng)LR達(dá)到最大值 a 點(diǎn)后將隨 下降；在 b 點(diǎn) 低于 ，于是二極管 D 承受反向電壓而截止，電容2U2CU停止充電并經(jīng) RL 放電。由于放電常數(shù) τ= C 很大，所以電容兩端電壓 比LRCU電源電壓 下降的速度慢的多于是 b 后的一段時(shí)間內(nèi) ﹥ ，輸出電壓2 CU2靠電容 C 通過負(fù)載電阻 放電來維持。 曲線按電容 C 的放電曲線下降，LR2達(dá)到 c 點(diǎn)時(shí)， 經(jīng)整流后的電壓將上升足夠大，并使整流二極管導(dǎo)通 ，濾波2重新開始，電容 C 又開始充電，輸出電壓 隨 的正弦規(guī)律上升直到 的最L2 2大值之后二極管 D 又被截止，電容 C 又開始放電，如此反復(fù)充放電。 根據(jù)以上分析，可見電容濾波適當(dāng)整流輸出電壓上升時(shí)，使電容器被充電，而在整流輸出電流下降時(shí)，利用已充電的電容對負(fù)載放電，使負(fù)載兩端的電壓平穩(wěn)，完成濾波作用。橋式整流的濾波作用與半波整流電路一樣，輸出電壓更加平穩(wěn)。 LU π 2π 3π ωt(a) 截止 導(dǎo)通 LU