磁敏二极管传感器应用电路设计.docx
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磁敏二极管传感器应用电路设计
东北石油大学
课程设计
课程传感器课程设计
题目磁敏二极管传感器应用电路设计
院系电气信息工程学院
专业班级测控技术与仪器08-2班
学生姓名
学生学号
指导教师
2011年7月15日
任务书
课程传感器课程设计
题目磁敏二极管传感器应用电路设计
专业测控技术与仪器姓名学号080601240203
主要内容：
电路设计：
设计磁敏二极管传感器应用电路；画出电路原理图；确定元器件及元件参数。
基本要求：
1、设计磁敏二极管传感器应用电路，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：
无触点开关，磁敏二极管控制开关电路。
2、给出设计方案，画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、有源元件给出芯片介绍。
主要参考资料：
[1]刘爱华.满宝元.传感器原理与应用技术[M].人民邮电出版社,2006.
[2]王雪文.张志勇.传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2004.
[3]张福学.现代实用传感器电路[M].中国计量出版社,1997.
[4]张洪润.传感器应用设计300例[M].北京航空航天大学出版社,2008.
完成期限2011.6.27—2011.7.1
指导教师
专业负责人
2011年7月3日
摘要
直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。
利用磁敏二极管可组成无刷直流电机。
关键词：
直流电机；碳刷；半导体；磁敏二极管
目录
一、设计要求1
二、方案设计1
1、方案说明1
2、方案论证2
三、传感器工作原理2
四、电路的工作原理3
五、单元电路设计、参数计算和器件选择4
1、单元电路设计4
2、参数计算5
3、器件选择5
六、总结6
无刷直流电机的设计
一、设计要求
1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。
从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。
随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。
本文设计的无刷直流电机，利用磁敏二极管和可控硅组成的开关电路，可代替直流电机中的电刷和换向器，构成无刷直流电机，无刷直流电机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用。
磁敏二极管是一种新型的磁电转换器件。
这种元件比霍尔元件的探测灵敏度高，且具有体积小、响应快、无触点、输出功率大及线性特性好的优点。
该器件在磁力探测、无触点开关、位移测量、转速测量及其他各种自动化设备上得到了广泛的应用，而日益受到社会各方面的广泛关注。
二、方案设计
1、方案说明
转子转动动
利用磁敏二极管传感器直接接收磁场变化的信号，产生输出信号，利用双向可控硅（晶闸管）去控制继电器，通过开关电路继续产生磁场作用于转子。
这种方案电路只需要接收磁场变化的信号系统，不需要发射出其他信号系统，电路相对简单，灵敏度高，可靠性较强。
图1方案原理框图
2、方案论证
无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、磁敏二极管传感器等组成。
磁敏二极管传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。
定子绕组的工作电压由磁敏二极管传感器输出控制的无触点电子开关电路提供。
三、传感器工作原理
I
磁敏二极管（SMD）的结构如图2所示。
磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P，N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一面打毛，设置成高复合去（为r区），其目的是因为电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失。
当通以正向电流后就会在P，I，N结之间形成电流。
图2磁敏二极管结构示意图
当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，如图3（a）所示，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。
只有少量电子和空穴在I区复合掉。
当磁敏二极管受到外界磁场H+（正向磁场）作用时，如图3（b）所示，则电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。
当磁敏二极管受到外界磁场H-（反向磁场）作用时，如图3（c）所示，电子、空穴受到洛伦兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则电流变大。
图3磁敏二极管工作原理示意图
N+
利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流会发生变化的现象，于是就能实现磁电转换。
随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。
若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。
磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。
因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。
磁敏二极管的正向偏压和通过其上电流的关系称为磁敏二极管的伏安特性。
磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将不一样。
在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加，伏安特性曲线上升很快，表现其动态电阻比较小。
一般情况下，磁敏二级管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量△U，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化比较大。
因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。
常用的温度补偿电路有互补式、差分式、全桥式和热敏电阻四种补偿电路。
本设计中采用的是全桥式补偿电路。
1.定子线圈2.磁敏二极管
3.开关电路E—电源
四、电路的工作原理
图4无刷直流电机工作原理图
无刷直流电机的工作原理图如图4所示，内部中心是转子，转子是永久磁铁，当转子旋转时，磁敏二极管就输出一信号电压用以控制开关电路，使定子线圈通以电流而产生磁场作用于转子，使转子转动，依次循环。
磁敏二极管装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。
定子绕组的工作电压由磁敏二极管传感器输出控制的电子开关电路提供。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
图5无触点开关的电路
上图所示的是无触点开关电路。
它由四只磁敏二极管组成桥式检测电路。
这样可以进行温度补偿。
无磁场时，磁敏二极管电桥平衡无信号输出。
当磁铁运行到距磁敏二极管一定位置时，在磁场作用下，磁敏电桥有电压信号输出，该信号加在三极管T1的基极上，使其工作导通。
由于R1上的压降增高，使晶闸管T2导通，继电器K工作，其常开触点K-1和K-2闭合，指示灯点亮，控制电路接通。
这样就构成了只需磁场变化就可接通开关的无触点开关电路。
2、参数计算
磁敏二极管2ACM在无磁场时，其额定工作电压为5V~7V，额定工作电流为1.5mA~2.5mA,晶闸管T2额定工作电流有效值为
（1）
式中：
Im—正弦半波电流的峰值。
.
I在此处取1.5mA,此时能保证磁敏二极管工作在最好线性区域。
由欧姆定律得电压电流关系
（2）
由公式可求得所需电阻的电阻值，R1=R2=22KΩ。
3、器件选择
本次设计采用的磁敏二极管为国产2ACM，它的灵敏度为80OmV/mA，工作电压为5~7V，工作电流为1.5~2.5mA。
在弱磁场下，输出电压与磁感应强度成正比，为线性关系。
随着磁场的增强，输出电压与磁感应强度呈非线性关系。
当磁感应强度在0.05~0.25T范围内时，器件有较好的线性度。
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
晶闸管的工作条件：
晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态；晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通；晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用；晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
本设计中晶闸管选用3DT2K型。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对控制电路实现“通”、“断”控制作用。
本设计中选用的继电器为4098型电磁继电器。
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
系统需要的元器件清单
表1元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
1
磁敏二极管
2ACM
7
2
电位器
1KΩ
2
3
晶闸管
3DT2K
1
4
三极管
3AX31
1
5
电阻
22KΩ
2
6
二极管
2CP12、2CW21H、2CP22、2CW21H
5
7
继电器
4098型
1
8
转子
永磁铁
1
9
定子线圈
Y2
6
10
电源
市电220V
1
六、总结
直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。
微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器（analog-to-digitalconverter，adc）、脉冲宽度调制（pulsewidemodulator，pwm）…等。
直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
利用磁敏二极管的高灵敏度、对磁场变化敏感等可组成无刷直流电机。
这种电机可广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。
本设计研究了一种基于磁敏二极管传感器技术和霍尔效应的无刷直流电机。
该无刷直流电机通过磁敏二极管感应磁场变化为核心，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路。
开关电路接通后又可持续控制磁场变化，是一种可行性非常高的方案。
在本次的设计过程中，我又对磁敏式传感器的使用有了更进一步的了解，尤其是磁敏二极管的磁电特性、伏安特性和温度特性有了更深的认识。
其次对画图软件protel的使用有了很大的收获，本设计的缺点是需要的磁敏二极管特征完全相同，在方案改进方面，可以考虑将磁敏二极管换成磁敏三极管，以期更好的灵敏度。
参考文献
[1]张洪润.传感器应用设计300例[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2008.
[2]刘爱华,满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京:
人民邮电出版社,2006.
[3]王雪文,张志勇.传感器原理及应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2004.
[4]张福学.现代实用传感器电路[M].北京:
中国计量出版社，1997.
[5]黄贤武,郑筱霞.传感器原理及应用[M].北京:
高等教育出版社，2004.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
传感器课程设计
题目名称
磁敏二极管传感器应用电路设计
学生姓名
刘金微
学号
080601240203
指导教
师姓名
段志伟
宋金波
职称
讲师
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
2011年6月27日
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