Датчик холла принцип действия: Датчик Холла – принцип работы, схема подключения, эксплуатация + видео

Содержание

Датчик Холла и принцип его работы. Типы датчиков и их особенности.

Главная » Виды датчиков

Содержание

Что такое датчик Холла
Какие бывают типы датчиков Холла
Применение датчиков Холла
Датчик Холла или геркон?

Что такое датчик Холла

Для того чтобы понять, что такое датчик Холла нужно сначала разобраться какие физические свойства он использует. Этот датчик использует внешние магнитные поля и их воздействием на проводники или полупроводники.

В них используется принцип Холла, который заключается в том, что если по проводнику или полупроводнику протекает ток в одном направлении и он проходит перпендикулярно магнитному полю, то можно измерить напряжение, проходящее под прямым углом к движению тока.

датчик Холла

В 19 веке американский физик Эдвин Холл проводил эксперименты с пластиной золота через которую он пропускал электрический ток. Когда он поднес к пластине постоянный магнит, то обнаружил на гранях перпендикулярных протеканию тока разность потенциалов т. е. напряжение. В честь этого ученого и назвали этот эффект.

Датчик Холла является магнитным датчиком т.е. устройством, генерирующим электрические сигналы пропорциональные магнитному полю, которое к нему приложено. Далее сигнал может усиливаться и преобразовываться для дальнейшей обработки.

клещи для измерения тока

Самым простым примером применения эффекта Холла могут служить токоизмерительные клещи, которые применяются для бесконтактного определения силы тока, протекающего по проводнику.

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

Аналоговые датчики Холла
В этом типе датчиков использовано преобразование магнитной индукции напрямую в напряжение. Свое применение аналоговые датчики нашли в измерительных технических устройствах. Это, например, датчики тока, датчики вибрации, датчики угла поворота.
Цифровые датчики Холла
Цифровой датчик Холла имеет всего два положения, которые показывают наличие или отсутствие магнитного поля. Практически это аналог геркона, но если в герконе присутствует механический контакт, то цифровой датчик Холла бесконтактный.

датчик с эффектом Холла

Подразделяются такие датчики на три вида:

Униполярный – когда сила магнитного поля достигает определенной величины датчик срабатывает. Такие датчики откликаются только на один полюс. Если к датчику поднести магнит другим полюсом, то датчик на него не реагирует. Когда сила магнитного поля снижается датчик возвращается в исходное положение.
Биполярный – в этом случае имеет значение полярность магнитного поля. Один полюс включает датчик, другой полюс выключает.
Омниполярный датчик Холла – реагирует на любой магнитный полюс. Т.е. любой полюс может включать и выключать датчик. Это может быть, как южный, так и северный полюс.

Как правило цифровой датчик Холла имеет три вывода и внешне похож на транзистор.

сенсор Холла с выводами

На два вывода датчика подается питание, которое может быть, как однополярным, так и двуполярным. Третий вывод сигнальный. Такой тип датчиков часто применяется в бесконтактных системах зажигания, как датчик скорости в автомобилях и т.д.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

В смартфонах датчик Холла используется в комплекте с магнитным чехлом. Он позволяет определить чехол открыт или закрыт. Если чехол открыт, то смартфон включается, если открыт, то выключается. Также преобразователь Холла ориентирует телефон по горизонту земли и помогает работе компаса. На мобильных телефонах-раскладушках также применяется датчик Холла для определения телефон находится в открытом или закрытом положении.

умный чехол для смартфона

В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
В системах определения уровня жидкости.
Для проверки наличия скрытой проводки.
Для измерения силы тока.

Arduino с датчиком Холла

В робототехнических наборах для изучения эффекта Холла. Это позволяет наглядно показать, как используются магнитные поля в датчиках.

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Датчик Холла или геркон?

устройство, принцип работы и назначение

Магнитные датчики Холла широко распространены в современных условиях и применяются не только в специализированных изделиях, но и в обычной бытовой технике. Большинство пользователей даже не подозревают, какие чувствительные элементы работают у них в телефоне, например, и что они могут быть установлены не только в электронной аппаратуре, но и в средствах передвижения (в автомобиле или мотоцикле). В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы и назначение датчика Холла.

Принцип действия и типы
Историческая справка
Классификация
Устройство и примеры использования
Применение в системе зажигания и стиральных машинах
В бытовых условиях

Принцип действия и типы

Использование сенсоров в различных устройствах (в планшете, в частности) объясняется их способностью реагировать на изменения поля и отключаться при закрытии магнитной крышки чехла. Благодаря этому свойству они устанавливаются и в стиральных машинах, позволяя контролировать скорость вращения барабана. Если выразиться простым языком – здесь датчик Холла используется как тахометр.

Историческая справка

Чтобы понять принцип работы этого элемента, потребуется небольшой экскурс в историю. В 1879 году американский физик Холл открыл интересное явление, связанное с поведением проводника с током в магнитном поле. Проверка показала, что если через помещенную между магнитами медную пластину пропускать ток, то на ее боковых гранях появляется разность потенциалов. Возникает закономерный вопрос: как проверить это напряжение в домашних условиях?

Оказалось, что на практике его можно измерить мультиметром или любым другим прибором, имеющим соответствующие пределы. То же самое можно сделать любым подходящим тестером или подобным ему прибором.

Подключение измерителя подтверждает то, что движущиеся электроны под действием магнитного поля отклоняются в сторону (перпендикулярно направлению их движения).

Важно! Величина этого отклонения или разность потенциалов пропорциональна «мощности» магнитов и силе тока через пластину.

На этом основании Холл заключил, что такой проводник – хорошее средство для измерения магнитного поля. На данном эффекте основана работа особого чувствительного элемента, называемого датчиком Холла. Разобравшись с тем, как он работает в каждом конкретном устройстве, можно быть уверенным в окончательном усвоении его принципа действия.

Классификация

Важно понимать, какие бывают датчики Холла, и по какому принципу их принято классифицировать. По особенностям работы и тому для чего он нужен или по назначению, датчик Холла может иметь различные исполнения. Одна из разновидностей – аналоговые приборы, вырабатывающие на выходе непрерывный сигнал.

В отличие от них цифровой элемент имеет только два дискретных состояния («ноль» и «единица»). Эта разновидность прибора может быть униполярной или иметь биполярный тип. Первая из них срабатывает при обнаружении поля любой полярности и отключается при его исчезновении. То есть униполярный цифровой сенсор реагирует только на отсутствие или наличие магнитной напряженности. Рассмотренные особенности каждого из подвидов также помогают понять, что это такое – датчик Холла.

Униполярные сенсоры переключаются в «единицу» лишь при достижении полем порогового уровня и не способны определять его наличие при слабых напряженностях. Указанное свойство – существенный минус таких приборов, заметно ограничивающий сферу их применения. Биполярный датчик срабатывает с учетом полярности магнитного поля, одна из которых включает его, а другая – выключает.

Условное графическое обозначение приборов этого класса приведено на фото ниже:

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).

Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Материалы по теме:

Что такое тензодатчик и как он устроен
Для чего нужны концевые выключатели
Чем отличается переменный ток от постоянного

Датчик Холла – энциклопедия VashTehnik.

Содержание

1 Эффект Холла
2 Достоинства сенсоров Холла
3 Конструкция датчиков Холла
4 Применение датчиков Холла

Датчик Холла – небольших размеров чувствительный элемент, позволяющий отслеживать изменения магнитного поля. Открытию уже исполнилось 100 лет, явление, лежащее в основе принципа действия, известно с 1879 года, но лишь в последние несколько десятилетий изделия стали неотъемлемой частью образчиков технических достижений.

Датчики разного типа

Эффект Холла

Эдвин Холл показал, что в направлении, поперечном магнитному полю, в проводнике образуется ЭДС при протекании по нему постоянного тока. На практике это выглядит, как возникновении потенциалов на кромках металлической полосы, когда к полосе подносят магнит. В результате становится возможным фиксировать факт приближения к датчику. Разница потенциалов зависит по большей части от:

Величины протекающего постоянного тока.
Напряжённости магнитного поля.
Подвижности и концентрации носителей заряда в материале.

До 1950-х годов, когда впервые создали регистратор микроволнового излучения, эффект Холла не применялся за пределами лабораторий. В массовое плавание запущен изготовителями компьютерных клавиатур – концерны оказались заинтересованы в отыскании бесконтактного пути регистрации положения клавиш и нашли таковой в 1968 году. Твердотельный датчик, изобретённый в 1965 году Джо Мопином и Эверетом Вортманом, сильно улучшил характеристики оборудования. Сейчас в промышленности отмечается ежегодный прирост потребности в сенсорах Холла, по оценкам, топовая пятёрка компаний-производителей собирает доход в 2 млрд. долларов.

Сегодня датчики Холла используют из-за указанной особенности – они практически вечные, не содержат движущихся и трущихся частей. В клавиатуре ломается преимущественно не чувствительный элемент, а контроллер. Известны вирусы, умеющие перепрограммировать чип и заражающие компьютер… через USB-клавиатуры. Кстати, спецслужбы давно уже взяли на вооружение метод, чтобы шпионить, а эффективной защиты против уязвимости попросту нет.

Эффект Холла проявляется в проводнике тем сильнее, чем меньше концентрация носителей заряда и больше подвижность. Металлы (на основе которых впервые продемонстрировано явление) не считаются идеальным материалом для создания датчиков. В гораздо большей степени для указанной целей годятся полупроводники. Одновременно это сильно снижает стоимость и повышает унификацию серийного производства.

Посмотрим, как работает датчик Холла. Представим полосу полупроводника, вдоль которой протекает постоянный ток. В отсутствие внешних возмущений внутри создаётся электрическое поле, приводящее в движение носители заряда. Предположим, теперь перпендикулярно поверхности полосы возникают линии постоянного магнитного поля. Возникающая сила Лоренца станет по правилу левой руки действовать на ход процесса. Напомним, что направление определяется так: «Если поместить левую руку так, чтобы линии магнитного поля оказались перпендикулярны ладони, а вытянутые пальцы смотрели в направлении движения зарядов (в физике – положительно заряженных частиц, а не отрицательных электронов), отогнутый на 90 градусов большой палец укажет в сторону действия силы Лоренца».

Загадки в эффекте Холла нет. Формула Лоренца предложена на добрый десяток лет позже – в 1892 году – прежде, чем люди узнали, что пластинка золота формирует разность потенциалов на торцах при протекании постоянного электрического тока. О влиянии магнитного поля на проводники в 1831 году однозначно высказывался Майкл Фарадей, благодаря тайному поклоннику которого мир узнал о генераторах и двигателях. Поныне неизвестно, кем придуман первый мотор постоянного тока. При обратном включении работающий генератором.

Эффект Холла открыт в 1879 году на базе университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Эдвин пытался проверить теорию Кельвина, озвученную тридцатью годами ранее, активно работал над изучением действия магнитного поля на золотую пластинку. Учёный ввёл коэффициент, показывающий продуцируемый эффект в зависимости от произведения приложенного магнитного поля и протекающего тока. Очевидно, что величина зависит от свойств материала. Момент уже обсуждался.

Эффект Холла

Достоинства сенсоров Холла

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

Долгий срок службы (для клавиатуры – 30 млрд. нажатий).
Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что явно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.
Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.
Простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.
Широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).
Высокая повторяемость измерений, что позволяет легко тарировать приборы на основе датчиков Холла.

Конструкция датчиков Холла

В ходе эксплуатации отлично проявились традиционные полупроводниковые материалы – арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на протяжении стороны прямоугольника. Где снимается сигнал – простейшие точечные. В любой схеме отмечается общая точка (нулевой провод, нейтраль), сумма контактов равняется трём. Отрицательные линии объединяются.

Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах остаётся, как правило, небольшой сигнал. Это объясняется не влиянием нашей планеты, как подумают читатели. Потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо ориентироваться на точечные импульсы, что часто делается на практике. Для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся лишь изменение сигнала).

Особенности конструкции датчика

Толщина плёнки проводника обычно мала, едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку используется способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с малой чувствительной площадью, что сильно и часто повышает точность измерений, ведь поверхность невелика. В приборах это используется для оценки положений деталей механизмов. Впрочем малогабаритные датчики обнаруживают сравнительно низкий отклик, измеряемый в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла параметр обычно укладывается в пределы от 0,03 до 1.

На практике это выглядит как генератор импульсов. Допустим, на валу двигателя стиральной машины стоит ряд магнитов, при обороте вырабатывается определённое количество пиков. В результате электронная начинка оценивает скорость вращения, угловое положение ротора, что используется, к примеру, в вентильных двигателях (с электронным переключением обмоток).

Сделаем отступление и объясним, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.

Применение датчиков Холла

Датчики Холла широко применяются в бытовой технике. Красноречивый пример – стиральные машины. Пользователи ломают умы, как в продвинутых моделях производится взвешивание белья. В сети приводятся патенты, где при помощи пружин или тензодатчиков предлагается задачу решить в лоб. Подобные устройства не способны на большую надёжность, рискуя постоянно подвергаться деформациям. Вдобавок на бак вешается пара-другая кирпичей, значит, суммарный вес конструкции велик, что накладывает ограничения. На практике в стиральных машинах белья вначале обильно увлажняется, потом по скорости разгона барабана оценивается общая масса. Так происходит взвешивание белья, в дальнейшем определяющее программу работы оборудования, расход порошка, воды, ополаскивателя.
В компьютерных клавиатурах датчики Холла впервые вошли в серийное производство. Обычно на подложке стоит чувствительный элемент, на клавише крепится магнит. Понятно, что пружин внутри современной клавиатуры уже нет, а сила упругости создаётся за счёт полимеров с высоким сроком службы. Решение крайне удачное: ломается не датчик и не упругая механическая часть, выходит из строя контроллер.
Датчик Холла возможно применять для измерения силы тока (как в токовых клещах). Прибор может реагировать на изменение электромагнитного поля, окружающего провода. Создаётся так называемая обмотка возбуждения (индуктивность из медной проволоки). Измеряемый ток подаётся на отводы, в результате образуется электромагнитная волна, часть оценивается датчиком Холла. Отклик зависит напрямую от измеряемой величины. Расчёт ведётся по формулам, заложенным, к примеру, в контроллер. Для точности прибор тарируется заводом изготовителем. Причём сохраняются упомянутые выше преимущества, прежде всего – отсутствие подвижных частей. Аналогичным образом при помощи датчиков Холла становится возможным измерение мощности.
Применение датчика
Преобразование постоянного напряжение в переменное считается примером создания генератора. Если датчик Холла находится в переменном магнитном поле, напряжения на выходе повторяет форму. КПД прибора не отличается высоким значением. Зато конструкция упрощается до максимума, становится возможным непосредственная передача формы магнитного поля электрическому току.
В связи с описанными выше фактами отметим, что датчики Холла позволяют контролировать расход и заполненность заряда аккумуляторов (посредством измерения протекающего тока и интегрирования его по времени). Это обусловливает возможность их самого широкого применения. Например, в сотовых телефонах (до 37% рынка). Но специалисты считают, что самым многообещающим направлением является сегмент электромобилей, где вопрос наличия энергии будет жизненно важным.
Благодаря наличию магнитного поля Земли становится возможным создание на основе датчиков Холла компасов. Проблема заключается лишь в том, что величина в Тл неравномерная по поверхности материков и континентов, требуется ввод методов коррекции измерений. За счёт указанного эффекта иногда работают автоматические системы стабилизации изображения видеокамер мобильных устройств.
Мало известно, но 52% доходности от выпуска датчиков Холла приходится на автомобильную промышленность. В этой отрасли требуется измерять частоты вращения колёс, коленчатого и распределительного валов. Читатели уже догадались, что датчик Холла поможет с определением положения дроссельной заслонки, руля. Автомобильный рынок стал главной движущей силой для дальнейшего совершенствования приборов. Некоторые системы считаются стандартом де-факто (ASIC, ASSP, ESC/ESP и пр.) на рыке, и датчики Холла принимают в них живое участие.

Принцип работы датчика Холла — руководство по электротехнике

Когда ток течет по тонкому плоскому проводнику, помещенному в магнитное поле, магнитное поле оказывает поперечную силу (т. е. силу Лоренца) на движущиеся носители заряда и толкает их в одну сторону дирижера. Затем заряд накапливается и образует измеримое напряжение между двумя сторонами проводника. Это напряжение называется напряжением Холла, а это явление называется эффектом Холла.

Датчики Холла работают на основе эффекта Холла. Тонкий лист металла или полупроводникового материала (пластина Холла) с проходящим через него током помещается в магнитное поле, после чего создается напряжение, перпендикулярное полю и направлению протекания тока. Поскольку напряжение Холла невелико, датчики Холла требуют усиления и преобразования сигнала.

Отличительной особенностью датчика Холла является то, что он может быть полностью интегрирован в один кремниевый чип, содержащий внутри датчик Холла, усилитель и схемы формирования сигнала. Это позволяет производить недорогие и крупносерийные датчики Холла. Таким образом, датчики Холла обычно относятся к типу поверхностного монтажа и могут быть установлены на печатной плате (печатной плате).

Характеристики датчиков Холла

Основные характеристики датчиков Холла можно описать следующим образом.

Передаточная функция : передаточная функция датчика Холла описывает соотношение его входа и выхода, характеризующееся чувствительностью, нулевым смещением и диапазоном.

Чувствительность определяется как изменение выходных данных в результате заданного изменения входных данных. Нулевое смещение — это выходной сигнал датчика без возбуждения магнитного поля. Диапазон определяет выходной диапазон датчика. Размах — это разница в выходных напряжениях, когда вход изменяется от крайнего отрицательного до крайнего положительного значения.

Рисунок 1

На рисунке 1 показаны характеристики типичного аналогового датчика Холла при трех различных напряжениях питания — 5, 8 и 10 В соответственно. Его передаточная функция может быть выражена соотношением между входным магнитным полем (в Гауссах, Гс) и выходным напряжением (в В) как + 0,5 В _с

Обратите внимание, что это уравнение справедливо только в том случае, если плотность потока B в сердечнике не достигла уровня насыщения, то есть −640 (Гаусс) < B < +640 (Гаусс). Коэффициент В, 6,25×10 ⁻⁴ В _с , в уравнении выражает чувствительность датчика и представляет собой наклон каждой характеристической кривой (в данном случае прямой линии) на рисунке 1. Второй член уравнения 5.6, 0,5 В _s — нулевое смещение, которое представляет собой выходное напряжение при 0 G при заданном напряжении питания.

Чувствительность (или усиление): Чувствительность датчика Холла может быть охарактеризована двумя способами

Вольт на единицу магнитного поля, на единицу тока смещения: В/(В × I), В ⋅ Тл ⁻¹ ⋅ A ⁻¹
Вольт на единицу магнитного поля, на единицу напряжения смещения: В/(B × V), В ⋅ T ⁻¹ ⋅ В ⁻¹

Чувствительность датчика Холла незначительно зависит от температуры. Многие производители датчиков предоставляют кривые зависимости чувствительности от температуры в своих спецификациях, чтобы показать стабильность их продуктов при изменении температуры. Электроника формирования сигнала может быть встроена в датчики Холла для компенсации влияния температуры.

Омическое смещение : Омическое смещение — это небольшое напряжение на выходе датчика даже в отсутствие магнитного поля. Это смещение появляется почти во всех датчиках Холла. Это ограничивает способность датчика различать небольшое стационарное магнитное поле.

Омические смещения могут быть вызваны многими факторами, в том числе ошибкой выравнивания контактов датчика, неоднородностями или напряжениями в чувствительном материале. Омическое смещение может быть выражено выходным напряжением для заданных условий смещения или в единицах измерения магнитного поля. Например, датчик A имеет смещение 500 мкВ, а датчик B имеет смещение 200 мкВ.

Нелинейность: Как и многие другие датчики, датчики Холла не обладают идеальной линейностью в своих рабочих диапазонах. Обычно они демонстрируют нелинейность от 0,5% до 1,5% в своем рабочем диапазоне.

Входное и выходное сопротивления и их температурный коэффициент: Входное сопротивление датчиков Холла влияет на конструкцию схемы смещения, а выходное сопротивление влияет на конструкцию схемы усилителя, используемой для определения напряжения Холла (см. рис. 2).

Рисунок 2. Простая система датчика Холла.

Температурные коэффициенты входного и выходного сопротивлений датчиков Холла должны быть равны или очень близки друг к другу, так как их различие будет влиять на точность измерения.

Шум: Датчики Холла также создают электрические шумы на своих выходах, в основном шум Джонсона и иногда мерцающий шум (шум 1/f).

Шум Джонсона возникает во всех проводящих материалах из-за случайного и термически индуцированного движения электронов через проводник (также называемого тепловым шумом). 1/f или мерцающий шум более значителен при обнаружении низкочастотных сигналов постоянного или близкого к постоянному току. Это зависит от используемого чувствительного материала и процессов изготовления.

Шум Джонсона ограничивает слабый сигнал датчика, который может быть извлечен из его выходного сигнала. Его можно свести к минимуму, выбрав датчик с низким импедансом.

При использовании датчиков Холла следует учитывать следующее:

Использование привода напряжения вместо привода тока может снизить влияние температуры на выходное напряжение Холла V _H .
Смещение постоянного напряжения имеет большее отношение сигнала к смещению, чем смещение постоянного тока.
Двойные или счетверенные элементы Холла обеспечивают более высокую магнитную чувствительность и меньшие смещения.
Напряжение Холла В _H очень мало, поэтому используйте большое усиление для датчиков Холла. Смещение постоянного тока усилителя часто ограничивает полезность V _H
Использование витых или экранированных кабелей может ослабить влияние статических и динамических электрических и магнитных полей.
Полоса пропускания датчика Холла ограничена потерями в магнитном сердечнике и повышением температуры, вызванным вихревыми токами.
Датчики Холла должны быть правильно ориентированы.

Типы датчиков Холла

Датчики Холла имеют множество конфигураций: вертикальные, цилиндрические, многоосевые, двойные или счетверенные. Традиционные элементы Холла построены в плоскости поверхности чипа, как показано на рисунке 3.

РИСУНОК 3. Традиционный элемент Холла построен в плоскости поверхности чипа.

В этой ситуации элемент Холла чувствителен только к магнитному полю, перпендикулярному поверхности чипа. Контакты для входного тока и выходного напряжения Холла находятся на разных сторонах.

РИСУНОК 4. Вертикальный датчик Холла

Вертикальные конфигурации: Вертикальный датчик Холла (VHS), как показано на рис. 4, реагирует на магнитное поле, параллельное плоскости микросхемы, и позволяет разместить все электрические контакты на верхней поверхности микросхемы так, чтобы могут быть легко изготовлены с использованием процессов изготовления микроэлектроники. Напряжение Холла измеряется между контактами. Эта конфигурация значительно улучшает как чувствительность (примерно в 10 раз выше, чем у обычных приборов Холла), так и V _H (примерно в 20 раз больше, чем у стандартных датчиков Холла).

РИСУНОК 5. Три конфигурации VHS: (a) 1D VHS; (б) 2D VHS; (c) VHS с тремя ответвлениями.

На рис. 5 показаны три конфигурации VHS для различных приложений.

(a) — базовый одномерный (1D) VHS;

(b) состоит из двух VHS, уложенных крестообразно, для измерения магнитных полей в обоих направлениях x и y (2D); и

Цилиндрические конфигурации : Если измеряемое магнитное поле имеет круговую геометрию, например, вокруг провода с током, цилиндрическая конфигурация является лучшим решением.

РИСУНОК 6 (а) Цилиндрический датчик Холла; б) применение цилиндрического датчика для измерения кругового магнитного поля.

На рис. 6(a) показан цилиндрический датчик Холла (CHS), изготовленный конформной деформацией вертикального устройства Холла. Он может измерять круговое магнитное поле вокруг провода с током или вокруг воздушного зазора двух концентраторов потока ЧМ, как показано на рисунке 6(b).

Благодаря встроенным концентраторам магнитного потока чувствительность этого цилиндрического датчика Холла может достигать 2000 В ⋅ A ⁻¹ ⋅ T ⁻¹. Его разрешение составляет 70 нТл.

РИСУНОК 7

На рис. 7 показан магнитный датчик углового положения и принцип его работы. Он содержит шесть высокочувствительных КТС, установленных на керамической подложке. Цилиндрический прибор Холла, оснащенный концентраторами поля ЧМ, очень чувствителен. Однако его чувствительность снижается, когда значение поля достигает значения насыщения материала концентратора (например, 20 мТл). Недостаток КГС — его нелинейность.

Многоосевые конфигурации : Многоосевой (2D или 3D) датчик Холла используется для одновременного измерения более чем одного компонента магнитного поля. Такой датчик может быть получен путем объединения двух или трех взаимно ортогональных вертикальных устройств Холла.

Датчики Холла, содержащие два или четыре элемента Холла в одном корпусе, называются соответственно двойными или счетверенными датчиками Холла. Такое расположение делает датчики Холла более стабильными и предсказуемыми, чем использование нескольких отдельных датчиков Холла.

Также сводит к минимуму влияние механических или термических нагрузок на выход. Кроме того, его работа от сети к сети во всем диапазоне напряжений обеспечивает более удобный сигнал с более высокой точностью.

Применение датчиков Холла

Датчики Холла широко используются в автомобилях, системах безопасности, бесколлекторных двигателях постоянного тока, управлении заслонками, различных контрольно-измерительных приборах или любых приложениях, связанных с измерением электрического тока или магнитного поля. Высококачественные датчики Холла могут быть сконструированы с минимальными затратами с использованием стандартных процессов ИС, используемых в микроэлектронной промышленности, и могут интегрировать вспомогательные схемы обработки сигналов на том же кремниевом кристалле. Ниже приведены некоторые примеры применения датчиков Холла.

Датчик тока Холла : Датчики Холла измеряют ток по напряженности магнитного поля, создаваемого протекающим током. Больший ток создает более сильное магнитное поле. Таким образом, выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально току. Датчики Холла могут измерять как переменный, так и постоянный ток, а также импульсные сигналы (например, ШИМ — сигналы с широтно-импульсной модуляцией).

РИСУНОК 8

На рис. 8 показан датчик тока Холла. С-образный сердечник из магнитомягкого материала размещается вокруг проводника для концентрации поля. Датчик Холла, помещенный в небольшой воздушный зазор, выдает напряжение, пропорциональное току в проводнике.

Датчики тока Холла, как правило, предназначены для поверхностного монтажа и могут быть установлены на печатной плате для измерения тока в дорожках. Преимущество датчиков Холла заключается в сохранении гальванической развязки между датчиком и измерительными цепями и измерении тока без разрыва цепи.

РИСУНОК 9 Расходомер с двумя датчиками Холла.

Расходомер: Датчики Холла также можно использовать для измерения расхода (см. рис. 9). Два датчика Холла измеряют скорость вращения металлического ротора, связанную с расходом жидкости, проходящей через трубу. Ротор модифицирован и имеет четыре углубления, поверхности которых обладают магнитными свойствами. Два датчика Холла улавливают изменения магнитного поля, вызванные вращением ротора, и сигналы преобразуются в скорость потока.

Управление двигателем: Датчики Холла широко используются в управлении бесщеточными двигателями постоянного тока благодаря их следующим характеристикам:

Быстрое время отклика (<5 мкс)
Способность обнаруживать высокую скорость (теоретически может обнаруживать максимум 16 × 10 ⁵ об/мин)
Определение перегрузки по току и обнаружение остановки шагового двигателя
Поддержка регулирования с обратной связью два или более дискретных датчика Холла или один многоосевой датчик Холла.
Для управления двухфазным бесщеточным двигателем можно использовать два отдельных датчика Холла, расположенных на расстоянии 90 ^o друг от друга (или один двухосевой датчик Холла) на конце бесщеточного двигателя постоянного тока, и магнит, прикрепленный к концу вала двигателя. Преимущество использования 2-осевого датчика Холла вместо двух дискретных датчиков Холла заключается в устранении физических допусков при монтаже дискретных датчиков Холла.
Спасибо, что прочитали о «принципе работы датчика Холла».
Датчик Холла: схема применения, работа
Эффект Холла назван в честь Эдвина Холла, который в 1879 году обнаружил, что при прохождении магнитного поля через проводящую пластину с током в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, на пластине возникает потенциал напряжения. Сила Лоренца, изображенная на верхней панели, является основным физическим принципом, лежащим в основе эффекта Холла. Когда электрон движется в направлении, перпендикулярном приложенному магнитному полю B, на него действует сила, называемая силой Лоренца, которая перпендикулярна как приложенному полю, так и протекающему току.
Датчик Холла (или просто датчик Холла) — тип датчика, который использует эффект Холла для обнаружения наличия и амплитуды магнитного поля. Выходное напряжение датчика Холла пропорционально напряженности поля. В этой статье вы узнаете определение, области применения, схему, принцип работы, преимущества и недостатки датчика Холла.
Подробнее: Датчик положения распределительного вала
Содержание
- 1 Что такое датчик Холла?
- 2 Применение датчика Холла
  - - 2.0.1 Схема датчика Холла:
- 3 принцип работы
  - - 3.0.1 :
- 4 Преимущества и недостатки датчика Холла
  - 4.1 Преимущества:
  - 4.2 Недостатки:
- 5 Заключение
  5.100048
- 5.2 Пожалуйста, поделитесь!

Что такое датчик Холла?

Магнитный датчик представляет собой разновидность датчика Холла. Датчик Холла — это преобразователь, реагирующий на изменения магнитного поля изменением выходного напряжения. Это электронное устройство, которое обнаруживает эффект Холла и преобразует его результаты в электронные данные, которые затем можно использовать для включения и выключения цепи, измерения флуктуирующего магнитного поля, обработки встроенным компьютером или отображения на интерфейсе. .

Когда магнит помещается перпендикулярно проводнику с током, электроны в проводнике отталкиваются в одну сторону, что приводит к разности потенциалов заряда (т. е. напряжения). Таким образом, на наличие и амплитуду магнитного поля вблизи проводника указывает эффект Холла.

Применение датчика Холла

Ниже приведены распространенные области применения датчика Холла:

Датчики Холла используются в таких приложениях, как определение приближения, определение местоположения, определение скорости и определение тока.
часто используются для измерения скорости вращения колес и валов, например, для тахометров или определения времени зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Они используются для определения положения постоянного магнита в бесщеточных электродвигателях постоянного тока.
Обнаружение движущегося элемента вместо механического концевого выключателя является распространенным применением. Индексация вращательного или поступательного движения — еще одно распространенное использование.

Подробнее: Датчик положения коленчатого вала

Схема датчика Холла:

принцип работы

В работе датчика Холла тонкий прямоугольный полупроводниковый материал p-типа, такой как арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) или индий арсенид (InAs) пропускает через себя непрерывный ток, образуя датчик Холла. Линии магнитного потока воздействуют на полупроводниковый материал, когда устройство помещается в магнитное поле, отклоняя носители заряда, электроны и дырки по обе стороны от полупроводниковой пластины. Магнитная сила, с которой сталкиваются носители заряда при прохождении через полупроводниковый материал, заставляет их двигаться.

Накопление носителей заряда создает разность потенциалов между двумя сторонами полупроводникового материала, поскольку электроны и дырки мигрируют в стороны. Существование внешнего магнитного поля под прямым углом к полупроводниковому материалу затем влияет на прохождение электронов через него, и это влияние выше в плоском материале прямоугольной формы. Эффект Холла является результатом использования магнитного поля для создания напряжения, поддающегося количественной оценке.

Линии магнитного потока должны быть перпендикулярны (90o) к протеканию тока и правильной полярности, часто южному полюсу, для создания разности потенциалов на устройстве. Эффект Холла показывает тип магнитного полюса, а также величину магнитного поля. Например, южный полюс заставляет устройство создавать выходное напряжение, тогда как северный полюс не влияет. При отсутствии магнитного поля датчики и переключатели на эффекте Холла должны находиться в положении «ВЫКЛ» (состояние разомкнутой цепи). При воздействии магнитного поля соответствующей силы и полярности они включаются (состояние замкнутой цепи).

Подробнее: Что такое автомобильные датчики

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о датчике Холла:

Преимущества и недостатки датчика Холла

Преимущества:

Ниже приведены преимущества датчика Холла в различных применениях:

По сравнению с электромагнитными выключателями, это совсем недорого.
Возможна работа на высокой частоте.
Может использоваться для различных целей, включая датчики смещения, положения и приближения.
Прочный и долговечный, он может выдерживать суровые условия.
Поскольку они устойчивы к влаге, они идеально подходят для различных применений.
Нет проблем с дребезгом контактов.

Подробнее: Понимание работы автомобильного мозга

Недостатки:

Единственным недостатком датчика Холла является рассогласование контактов в элементе Холла и пьезорезистивные эффекты, датчик становится слабым.

Заключение

Датчик Холла (или просто датчик Холла) — это датчик, использующий эффект Холла для обнаружения наличия и амплитуды магнитного поля. Выходное напряжение датчика Холла пропорционально напряженности поля. Это все, что касается этой статьи, в которой обсуждаются определение, применение, схема, работа, преимущества и недостатки датчика Холла.

Надеюсь, вы многому научитесь, если да, поделитесь с другими учениками. Спасибо за чтение, увидимся!

Присоединяйтесь к нашему новостному бюллетене

Датчики эффекта зала: принцип работы, 5 важных применений — Lambda Geeks

Написано Amrit Shawin Physics

Содержание:

33333.
3333.
3333.
. . Датчики воздействия
Что такое напряжение Холла (В _H )?
Коэффициент Холла (R _H )
Конструкция датчиков Холла
Symbol of Hall Effect Sensor
Working Principle of Hall Effect sensors
Hall Effect experiment
Analog and Digital Hall Effect Sensor
Type of Hall Effect Sensors
Применение датчиков Холла

Магнитные датчики
Магнитные датчики — это устройства, способные обнаруживать и анализировать магнитные поля, создаваемые магнитом или током. Их можно использовать для различных приложений, таких как определение изменения положения и угла магнитного поля, определение изменения силы или направления приложенного магнитного поля и т. д.
Существуют различные типы магнитных датчиков, таких как датчик Холла (переключатели Холла, линейные датчики Холла и т. д.), используемые для обнаружения изменения напряженности магнитного поля, магниторезистивный датчик, используемый для обнаружения изменения направления. магнитного поля, датчики угла, используемые для обнаружения изменения угла магнитного поля, трехмерные датчики Холла, а также магнитные датчики скорости. Датчики Холла используются в широком спектре приложений, таких как датчик приближения, измерение положения и скорости и т. д. Они даже используются в компьютерных принтерах, пневматических цилиндрах, компьютерных клавиатурах и т. д.
Магнитные датчики, как правило, представляют собой твердотельные устройства, которые в настоящее время пользуются большим спросом из-за их высокой точности, бесконтактной работы, сравнительно низких затрат на техническое обслуживание, компактного дизайна и т. д. В настоящее время магнитные датчики без сердечника предназначены для различных целей. Доступны различные виды промышленного применения, например, герметичные устройства на эффекте Холла водонепроницаемы и изготовлены таким образом, чтобы противостоять любой вибрации.
Магнитные датчики широко используются в автомобильных системах, особенно для анализа положения автомобильных сидений, ремней безопасности и управления системой подушек безопасности, а также для определения скорости вращения колес для антиблокировочной тормозной системы (АБС).
Датчики Холла
Датчики Холла представляют собой магнитные датчики, выходной сигнал которых зависит от магнитного поля или плотности магнитного потока вокруг магнитного датчика.
Слово «Холл» произошло от доктора Эдвина Холла, который впервые открыл эффект Холла.
Если есть внешнее магнитное поле, вертикальное к объекту, через который проходит ток, электродвижущая сила будет генерироваться в направлении, перпендикулярном магнитному полю и току.
Датчик Холла Устройство 1880
Что такое напряжение Холла (В _H )?
Если к магнитному датчику приложено внешнее магнитное поле, он активируется. Выходное напряжение датчика Холла пропорционально силе проходящего магнитного поля. После превышения внешним полем определенного порога плотности магнитного потока генерируется выходное напряжение, известное как напряжение Холла (В _Н) .
Коэффициент Холла (R _H )
Величина разности потенциалов на единицу толщины металлической полосы при эффекте Холла, распределенная произведением напряженности магнитного поля и плотности продольного тока.
Единицы коэффициента Холла R _H обычно передаются как м ³ /C или Ом·см/G .
Конструкция датчиков Холла:
Конструкция датчика Холла
Датчики Холла обычно состоят из прямоугольного куска полупроводника, такого как индий антимонит (InSb) или арсенид галлия (GaAs), известный как датчик Холла, установленный на алюминиевая пластина и полностью закрыта внутри головки зонда. Рукоятка зонда из немагнитного материала соединена с головкой зонда так, что плоскость прямоугольной пластины полупроводника перпендикулярна рукоятке зонда.
При срабатывании устройства через полупроводник протекает непрерывный ток. Если линии внешнего магнитного поля расположены под прямым углом к головке зонда, так что линии поля проходят под прямым углом через датчик зонда, возникает напряжение, известное как напряжение «эффекта Холла», и устройство обеспечивает показание. плотности магнитного потока (В) внешнего поля.
Обозначение датчика Холла: Символ датчика Холла, изображение предоставлено Grahamatwp из английской Википедии, общий символ датчика Холла, CC BY-SA 3.0
Что такое датчик Холла?
Принцип работы датчиков Холла
Датчик Холла в основном работает за счет силы Лоренца (это сила, испытываемая заряженной частицей из-за электрического поля или магнитного поля, т. е. просто электромагнитное поле).
При наличии существующего внешнего магнитного поля достаточной величины электроны в пластине полупроводника отклоняются к одному краю пластины, т.е. дырки и электроны смещаются в любую сторону пластины за счет силы Лоренца воздействуя на них.
Для этого одна сторона полупроводника заряжена отрицательно, а противоположная сторона оказывается заряженной положительно. Это создает градиент напряжения на двух противоположных сторонах прямоугольной пластины из-за накопления противоположных зарядов на этих двух сторонах. Это напряжение известно как напряжение Холла (V _H ), а эффект генерации этого измеримого напряжения Холла с помощью внешнего магнитного поля известен как эффект Холла.
Для создания разности потенциалов, при которой создается измеримое напряжение, линии внешнего магнитного поля должны располагаться под прямым углом к плоскости, в которой через пластину протекает ток. Кроме того, для работы датчиков Холла необходимо обеспечить правильную полярность.
Преобразователь на эффекте Холла Рабочий
Когда электроны и дырки смещаются друг от друга, возникает градиент потенциала, и расстояние увеличивается до тех пор, пока сила электрического поля не уравновесит силу, создаваемую магнитным полем. Когда обе силы уравновешивают друг друга, ток не меняется, и было рассчитано напряжение Холла, обнаруженное в этой точке и исходя из этой плотности магнитного потока (B).
Если выходное напряжение линейно зависит от плотности магнитного потока, то это называется датчиками с линейным эффектом Холла, а если наблюдается резкое снижение выходного напряжения при различной плотности магнитного потока, то это называется пороговым эффектом Холла датчик.
Мы слышали об индуктивных датчиках, которые реагируют на изменение магнитного поля, поскольку оно индуцирует ток в катушке провода и, следовательно, генерирует напряжение на его выходе. Поэтому индуктивные датчики могут обнаруживать только статические (неизменяющиеся) магнитные поля, тогда как датчики на эффекте Холла могут обнаруживать как изменяющиеся, так и неизменяющиеся магнитные поля.
Датчик Холла может предоставить информацию о типе магнитного полюса, используемого для генерации напряжения, а также о величине плотности внешнего магнитного потока (B). Используя группу датчиков, мы можем найти относительное положение используемого внешнего магнита.
Выходное напряжение датчика Холла, как правило, имеет довольно небольшую величину, порядка нескольких микровольт, даже когда на датчик воздействует сильное внешнее магнитное поле. Следовательно, большинство коммерчески доступных датчиков Холла имеют встроенный усилитель постоянного тока и регуляторы напряжения для повышения чувствительности датчика и величины выходного напряжения.
Эксперимент на эффекте Холла Датчик тока на эффекте Холла с обратной связью
Изображение предоставлено: Dracheschreck, Датчик тока на эффекте Холла с замкнутым контуром, CC BY-SA 3. 0
Аналоговый и цифровой датчик Холла
Выход датчика Холла может быть линейным (аналоговым) или цифровым. Выход линейного датчика Холла прямо пропорционален внешнему магнитному полю, т.е. плотности магнитного потока, проходящего через датчик, а выход берется с выхода дифференциального ОУ. Линейные (аналоговые) датчики на эффекте Холла имеют постоянное выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от изменения силы внешнего магнитного поля.
Формула датчика эффектов зала:
Выход датчика эффекта линейного зала может быть выражена:
, где,
V _H2 — долл 948
V _H2. — долл 948 V _H2. _H – коэффициент эффекта Холла
I – ток, протекающий через датчик (полупроводниковую пластину)
t – толщина датчика
0014
В случае датчика Холла выход цифрового датчика берется с выхода ОУ, который, в свою очередь, связан с триггером Шмитта со встроенным гистерезисом, уменьшающим колебания выходного напряжения. В этом случае, только когда напряженность внешнего поля выше определенного значения в устройстве, устройство переключается в состояние ВКЛ из состояния ВЫКЛ.
Тип датчиков Холла:
В зависимости от типа внешнего магнитного полюса, необходимого для их работы, датчики Холла бывают двух типов.
Биполярный
Однополярный
Двумя наиболее распространенными конфигурациями датчиков Холла с использованием одного магнита являются лобовое обнаружение и боковое обнаружение. При боковом обнаружении необходимо перемещать магнит в боковом направлении перед лицевой стороной элемента на эффекте Холла. При лобовом обнаружении магнит движется к элементу холла и от него перпендикулярно плоскости элемента.
Датчик эффекта зала Используется в вентиляторе двигателя
Кредит изображения : ð¤ð¸ð нимдия дивила. Артинг, сцепление с датчиком эффекта зала, CC от 2,0
Применение датчиков эффекта зала:
работающие в режиме вкл/выкл, т. е. имеющие цифровой выход, обнаружение наличия магнитных материалов является одним из важных промышленных применений датчиков Холла.
Трансформаторы постоянного тока: Датчик Холла используется для измерения магнитного потока постоянного тока, в результате чего можно рассчитать постоянный ток.
Переключатель клавиатуры: для некоторых компьютерных клавиатур используются переключатели на эффекте Холла. Но из-за сравнительно высокой стоимости он ограничен аэрокосмической и военной сферой из-за их высокой надежности.
Индикатор уровня топлива: Датчик Холла определяет положение плавающего элемента с помощью определения положения и используется в качестве автомобильного индикатора уровня топлива.

Электрическая беговая дорожка: датчики Холла используются здесь для датчиков скорости, а также для аварийной остановки при случайном падении.