Датчик холла

Содержание

Интегральные малопотребляющие датчики положения на основе эффекта Холла

Компании Texas Instruments и Honeywell предлагают датчики Холла с ультрамалым энергопотреблением для компактных применений с автономным питанием. Имеются модели для определения фиксированного положения объекта и для измерения его движения. В чем же отличия датчиков TI и Honeywell, и какая модель лучше подойдет в том или ином случае?

Для передачи в электрическую схему информации о положении различных подвижных элементов, таких как валы, заслонки, крышки, роторы электродвигателей, в свое время были разработаны специализированные приборы, известные как датчики положения. Существуют датчики, основанные на электромеханическом, емкостном, индуктивном, ультразвуковом, магнитном или оптическом принципе работы, а также множество комбинированных устройств. Каждый тип датчиков обладает конкретными достоинствами и недостатками и имеет свою область применений. В последние десятилетия список типов датчиков положения пополнился еще одним типом – датчиками на основе эффекта Холла.

Отличительными характеристиками современной электроники являются компактность и экономичность. И если с компактностью у датчиков Холла особых проблем никогда не было, то с экономичностью до недавнего времени было непросто: в связи с появлением экономичных электронных приборов, позволяющих устройству несколько лет работать от одноэлементной литиевой батарейки, даже небольшой ток потребления обычного датчика Холла уже вносит ощутимый вклад в общее энергопотребление системы.

Поэтому в последнее время ведущие производители электронных компонентов, в том числе Texas Instruments и Honeywell, представили новый тип датчиков положения на основе эффекта Холла, отличающийся повышенной экономичностью. Ключевой особенностью этих микросхем является ультрамалый ток собственного потребления, который в совокупности с компактными размерами и высокой чувствительностью делает их идеальными для компактных приложений с батарейным питанием, например, для беспроводных датчиков охранных систем, устройств интернета вещей и других систем.

Особенности малопотребляющих дискретных датчиков Холла

Различают линейные и дискретные датчики Холла (рисунок 1). Выходные сигналы линейных датчиков пропорциональны величине магнитной индукции. Основная сфера применения подобных устройств – измерители напряженности магнитного поля, датчики постоянных и переменных токов (рисунок 2), бесконтактные потенциометры, датчики угла поворота и прочие приложения, работающие с непрерывными сигналами. Кроме усилителя и схем температурной компенсации микросхемы, в зависимости от специализации, могут содержать множество других узлов, например, АЦП, компараторы тревожных сигналов для активизации центрального микроконтроллера, контроллеры популярных интерфейсов передачи данных, (USART, I2C, SPI и других), а также энергонезависимую память для хранения настроек.

Рис. 1. Структурные схемы датчиков Холла

Рис. 2. Датчик Холла для измерения тока

Когда абсолютное значение индукции магнитного поля не имеет значения, а важно определить лишь факт наличия или отсутствия магнитного поля – используют датчики Холла с дискретным выходом. В эти микросхемы обычно интегрируются один или несколько компараторов с гистерезисом, сравнивающих напряжение на выходе дифференциального усилителя с пороговыми уровнями. Областью применения дискретных датчиков Холла является широкий спектр автоматизированных приложений: датчики открытия дверей, частотомеры, синхронизаторы, автомобильные системы зажигания, контроллеры подвижных элементов (клапанов, задвижек, крышек и прочего), охранные системы, устройства управления электродвигателями и многие другие.

Классическим примером использования дискретных датчиков Холла являются электродвигатели, используемые в компьютерном оборудовании (рисунок 3). Размещенный на плате двигателя датчик Холла измеряет напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом ротора, формируя импульсный сигнал с логическими уровнями, частота которого пропорциональна частоте вращения, что позволяет оценить как исправность, так и производительность вентилятора.

Рис. 3. Датчик Холла в компьютерном вентиляторе

Относительно новой областью применения дискретных датчиков Холла являются устройства дистанционного мониторинга, в которых они постепенно вытесняют традиционно используемые в данных приложениях герметичные электромеханические контакты (герконы). Например, использование датчика Холла совместно с трехосевым акселерометром в беспроводном дверном датчике DMS-100, выпускаемом компанией Pandora (рисунок 4), позволяет распознать удар, поворот и состояние (открыто/закрыто) дверей, люков, крышек кофров, багажников, прицепов. Поскольку датчик DMS-100 использует беспроводной интерфейс передачи данных и питается от аккумулятора, его можно легко и быстро разместить в труднодоступных местах.

Рис. 4. Беспроводной датчик двери Pandora DMS-100

Основными преимуществами датчиков Холла по сравнению с герконами являются высокая надежность, компактность и повышенная чувствительность. Кроме этого, измерительный элемент может определять не только величину, но и полярность магнитного поля, в том числе – по нескольким координатам. Все эти преимущества позволяют позиционировать датчики Холла в качестве перспективной элементной базы.

В случае, когда непрерывный мониторинг объекта не требуется (например, для систем безопасности), энергопотребление датчика Холла может быть снижено за счет перевода в прерывистый режим работы. Например, при контроле двери или окна нет необходимости постоянно определять их состояние, достаточно это делать несколько раз в секунду, ведь скорость их перемещения относительно невелика. Благодаря тому, что измерительный элемент датчика Холла является практически безынерционным, а современная элементная база отличается высоким быстродействием, для проведения измерений уровня магнитного поля без ущерба для точности достаточно всего нескольких десятков микросекунд. Таким образом, если микросхема датчика большую часть времени будет находиться в спящем режиме, при котором потребляемый ток снижается до уровня нескольких микроампер, то среднее значение тока, потребляемого датчиком, может быть уменьшено на несколько порядков.

Например, пусть для проведения измерений достаточно 100 мкс и тока 5 мА. Если проводить измерения 10 раз в секунду с интервалом 100 мс, то при токе потребления в спящем режиме 5 мкА средний потребляемый ток Iср будет рассчитан по формуле 1 (рисунок 5):
$$I_{ср}=\frac{T_{1}}{T}\times I_{1}+\frac{T_{2}}{T}\times I_{2},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где T1 = (t1 – 0) – продолжительность этапа измерения, T2 = (T – t1) – продолжительность спящего режима, то есть (0,1/100)∙5000 + (99,9/100)∙5 ≈ 10 мкА.

Рис. 5. Сравнение энергопотребления датчиков Холла при различных режимах работы (в условном масштабе)

Это в 500 раз меньше тока 5 мА, который бы потребляла микросхема, выполняя непрерывные измерения. Таким образом, использование прерывистого режима является эффективным средством уменьшения энергопотребления дискретных датчиков Холла без ущерба для их функциональности, что делает их идеальными для широкого круга компактных приложений с батарейным питанием.

Малопотребляющие датчики Холла производства Texas Instruments

В ассортименте TI на момент написания статьи присутствуют две модели датчиков с ультрамалым потреблением, взаимно дополняющие друг друга по своей функциональности. Ключевым отличием предлагаемых приборов является метод формирования выходного сигнала. Микросхемы DRV5032 фиксируют наличие магнитного поля с индукцией выше порогового значения, которое, в зависимости от модификации, может находиться в диапазоне 3,8…63 мТл (рисунок 6), в то время как датчики DRV5012 имеют функцию защелки, состояние которой меняется только при изменении полярности магнитного поля (рисунок 7). Это и определяет практическое назначение микросхем: DRV5032 предназначены, в первую очередь, для определения наличия каких-либо объектов, например, для фиксации открытия окна или двери, и могут работать с обычными двухполюсными магнитами, а DRV5012 – для измерения движения, например, ротора электродвигателя, и больше ориентированы на работу с многополюсными магнитами.

Рис. 6. Принцип работы датчиков DRV5032

Рис. 7. Принцип работы датчиков DRV5012

Упрощенная структурная схема датчиков DRV5032 показана на рисунке 8, а их технические характеристики приведены в таблице 1. В микросхеме интегрированы: стабилизатор напряжения, обеспечивающий необходимый режим работы всех узлов в широком диапазоне питающего напряжения, управляемый источник тока для измерительного элемента, дифференциальный операционный усилитель с компенсирующими цепями, устраняющими влияние температуры и напряжения смещения, присутствующего на выходе измерительного элемента, и управляющие выходами логические элементы. Из внешних компонентов для устойчивой работы прибора необходим лишь блокировочный керамический конденсатор емкостью не менее 0,1 мкФ, устраняющий переходные процессы в цепи питания, обусловленные импульсным характером потребляемого тока.

Рис. 8. Структурная схема микросхем DRV5032

Таблица 1. Технические характеристики микросхем DRV5032

Параметры Наименование
DRV5032DU DRV5032FA DRV5032FB DRV5032FC DRV5032FD DRV5032AJ DRV5032ZE
Чувствительность, мТл 3,9 4,8 4,8 4,8 4,8 9,5 63
Тип чувствительности к магнитному полю Униполярный Биполярный Биполярный Биполярный Униполярный Биполярный Биполярный
Тип выходов Двухтактный Двухтактный Двухтактный Открытый сток Двухтактный Открытый сток Открытый сток
Количество выходов 1, 2* 1 1 1 2* 1 1
Частота опроса, тип., Гц 20 20 5 20 20 20 20
Напряжение питания, В 1,65…5,5 1,65…5,5 1,65…5,5 1,65…5,5 1,65…5,5 1,65..5,5 1,65…5,5
Максимальный ток в активном режиме, тип., мА 2 2 2 2 2 2 2
Средний потребляемый ток, тип.**, мкА 1,3…2,3 1,3…2,3 0,54…1,06 1,3…2,3 1,3…2,3 1,3…2,3 1,3…2,3
Длительность активного режима, тип., мкс 55 55 55 55 55 55 55
Продолжительность измерения, тип., мкс 40 40 40 40 40 40 40
Рабочая температура, °С -40…85 -40…85 -40…85 -40…85 -40…85 -40…85 -40…85
Корпус SOT-23, X2SON SOT-23, X2SON SOT-23 SOT-23 X2SON SOT-23, X2SON SOT-23
* В зависимости от типа корпуса: SOT-23 – один выход (срабатывает при ориентации магнита южным полюсом к датчику); X2SON – два выхода (для северного и южного полюсов).
** При напряжении питания 1,8…5,0 В.

В зависимости от версии, микросхемы DRV5032 могут быть чувствительны к полярности внешнего магнитного поля. У биполярных версий выходное напряжение принимает низкий логический уровень при увеличении индукции магнитного поля выше порогового значения, независимо от полярности (рисунок 6). Это упрощает производство оборудования, поскольку в этом случае исключается операция позиционирования полюсов магнита. Униполярные версии (с суффиксами DU и FD) могут иметь два выхода: выход OUT1 переводится в состояние логического нуля при ориентировании магнита северным полюсом к прибору, а OUT2 – южным (рисунок 9). Возможность определения полярности магнитного поля расширяет функциональность конечных приложений, позволяя определять не только наличие объекта, но и его ориентацию. В микросхемах с суффиксом DU, выпускаемых в трехвыводном корпусе SOT-23, выход OUT1 отсутствует, и они позволяют определить лишь наличие магнита, ориентированного к датчику южным полюсом.

Рис. 9. Ориентация магнитного поля для датчиков DRV5032

Тип выходов также зависит от версии прибора. В семействе присутствуют как микросхемы с двухтактным выходом, что дает возможность подключать выходы датчиков напрямую к портам микроконтроллера без использования внешних подтягивающих резисторов, так и приборы с выходом типа «открытый сток», позволяющие объединять выходы нескольких датчиков по схеме монтажного ИЛИ. Кроме этого, широкий диапазон напряжений питания 1,65…5,5 В позволяет использовать микросхемы DRV5032 с большинством популярных серий микроконтроллеров без использования дополнительных схем согласования уровней логических сигналов.

Для проведения измерений напряженности внешнего магнитного поля микросхемам DRV5032 достаточно в среднем 40 мкс. При этом все версии, кроме приборов с суффиксом FB, выполняют 20 измерений в секунду. Это позволяет при максимальном потребляемом токе 2 мА уменьшить величину его среднего значения до уровня 1,3…2,4 мкА. Еще большую экономичность обеспечивают микросхемы с суффиксом FB, у которых частота измерений уменьшена до 5 Гц, что позволяет довести средний ток потребления до уровня 0,54…1,6 мкА.

Структурная схема микросхем DRV5012 (рисунок 10) и их технические характеристики (таблица 2) во многом аналогичны DRV5032. Кроме рассмотренного выше метода формирования выходного сигнала, еще одной отличительной особенностью DRV5012 является возможность управления частотой измерений с помощью вывода SEL. При наличии низкого уровня на этом входе микросхема будет измерять напряженность магнитного поля 20 раз в секунду, а при установке логической единицы частота измерений увеличивается до 2,5 кГц. Это позволяет использовать данные приборы в приложениях как с медленными, так и с быстро протекающими процессами, а также оптимизировать энергопотребление системы в различных режимах работы.

Рис. 10. Структурная схема датчиков DRV5012

Таблица 2. Технические характеристики микросхемы DRV5012

Параметры
Чувствительность, мТл 2
Тип выхода Двухтактный
Напряжение питания, В 1,65…5,5
Максимальный ток в активном режиме, тип., мА 2
Длительность активного режима, тип., мкс 55
Продолжительность измерения, тип., мкс 40
Рабочая температура, °С -40…85
Корпус X2SON
Частота опроса, тип., Гц 20 2500
Средний потребляемый ток при напряжении питания 1,8…5,0 В, тип., мкА 1,3…2,0 142…160

Малопотребляющие датчики Холла от Honeywell

В ассортименте одного из старейших производителей датчиков Холла – компании Honeywell – также присутствуют две модели малопотребляющих датчиков положения, отличающихся лишь чувствительностью.

Структурная схема (рисунок 11), технические характеристики (таблица 3) и принцип работы микросхем SM351 и SM353 во многом аналогичны рассмотренным выше микросхемам DRV5032 производства компании Texas Instruments. Для уменьшения энергопотребления питание на аналоговые узлы подается только во время измерений, продолжительность которых составляет 15 мкс. Коммутация питания осуществляется с помощью транзисторного ключа, управляемого таймером, содержащим тактовый генератор, счетчик, дешифратор и другие необходимые компоненты. Средняя частота измерений напряженности магнитного поля равна 10 Гц. При напряжении питания 1,8 В такой режим работы при типовом значении тока в режиме измерений около 1 мА позволяет уменьшить средний ток микросхемы до уровня, не превышающего 0,4 мкА.

Рис. 11. Структурная схема датчиков SM351 и SM353

Микросхемы SM351 и SM353 нечувствительны к полярности внешнего магнитного поля и имеют двухтактные выходы, позволяющие подключать их к микроконтроллеру без использования внешних подтягивающих резисторов. Оба прибора выпускаются в компактных корпусах SOT-23 и могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (1,65…5,5 В) и температур (-40…85°С), что позволяет использовать их в автомобильной и промышленной электронике совместно с большинством наиболее популярных микроконтроллеров.

Таблица 3. Технические характеристики датчиков Холла производства Honeywell при напряжении питания 1,8 В

Параметры Наименование
SM351 SM353
Тип выхода Двухтактный
Напряжение питания, В 1,65…5,5
Длительность активного режима, тип., мкс 15
Рабочая температура, °С -40…85
Корпус SOT-23
Частота опроса, тип., Гц 10
Чувствительность, мТл 0,7 1,4
Максимальный ток в активном режиме, тип., мА 1 0,8
Средний потребляемый ток, мкА 0,36 0,31

В отличие от изделий Texas Instruments, датчикам Honeywell необходима другая ориентация магнитного поля. Для корректной работы внешние магниты должны быть ориентированы полюсами к торцевой поверхности микросхем (рисунок 12), в то время как для датчиков Texas Instruments такое расположение магнитов попадает в «слепую» зону.

Рис. 12. Ориентация магнитного поля для датчиков SM351 и SM353

Исследование характеристик датчиков Холла

Для проверки фактических характеристик малопотребляющих датчиков Холла мы сравнили микросхемы SM351LT и SM353LT компании Honeywell и DRV5032FA и DRV5032FB компании Texas Instruments. Эти приборы имеют одинаковые функциональное назначение, корпус и тип выходов и отличаются только чувствительностью, скоростью реакции и энергопотреблением. При подготовке статьи было проведено исследование пяти образцов микросхем каждой модели.

Схема и внешний вид измерительной установки показаны на рисунке 13. Каждый датчик смонтирован на отдельной макетной плате, содержащей керамический конденсатор С2, предназначенный для исключения переходных процессов в цепи питания, и резистор R3, позволяющий с помощью осциллографа контролировать форму потребляемого тока. При проведении измерений, не связанных с контролем временных диаграмм, резистор R3 замыкается внешней проволочной перемычкой.

Рис. 13. Схема измерений

Мультиметр PV1 предназначен для измерения среднего значения тока в цепях питания микросхем. Он измеряет падение напряжения на резисторе R1, сопротивление которого выбрано таким образом, чтобы при токе 1 мА разность потенциалов на нем была равна 200 мВ. Это позволяет на самом чувствительном пределе мультиметра 200 мВ измерять ток в диапазоне 0…1 мА с разрешением 0,005 мкА, что вполне достаточно для проведения исследований.

Электролитический конденсатор С1 предназначен для исключения возможной просадки напряжения во время измерений из-за увеличения внутреннего сопротивления источника питания после добавления резистора R1. Элементы R1 и С1 образуют фильтр нижних частот с постоянной времени 0,2 с, что намного больше длительности измерений (15 мкс для SM351LT и SM353LT, 40 мкс – для DRV5032FA и DRV5032FB).

Срабатывание датчика контролируется с помощью светодиода VD1, ток которого ограничивается резистором R2. Для исключения влияния нагрузки микросхемы на величину потребляемого ею тока светодиод подключен к положительному полюсу источника питания отдельным проводом, минуя фильтр R1C1.

Питание схемы осуществляется от регулируемого источника постоянного тока с контролем величины выходного напряжения. Поскольку измерение напряжения питания осуществляется до фильтра R1C1, его фактическое значение на выводах микросхем будет меньше на величину падения напряжения на резисторе R1, которое может достигать 60 мВ при напряжении питания 5 В. Поскольку проведенные исследования являются оценочными, этим можно пренебречь, ведь подключение мультиметра, обладающего хоть и высоким, но все-таки конечным внутренним сопротивлением, непосредственно к выводам питания микросхем привело бы к появлению дополнительной погрешности в измерениях тока.

Результаты измерений потребляемого тока приведены в таблице 4. Как видно из полученных данных, все исследованные датчики имеют хорошую повторяемость параметров, а полученные значения соответствуют типовым величинам, указанным в технической документации.

Анализируя зависимости средних значений потребляемого тока от напряжения питания (рисунок 14) можно увидеть, что энергопотребление приборов производства компании Texas Instruments меньше зависит от этого параметра, чем датчиков Honeywell. Вместе с этим, при напряжениях питания менее 4 В микросхемы Honeywell более экономичны, чем продукция Texas Instruments.

Рис. 14. Зависимости потребляемого тока от напряжения питания

На графиках, изображенных на рисунке 14, также хорошо видно влияние частоты измерений на энергопотребление. Ток, потребляемый микросхемой DRV5032FA с частотой 20 Гц, во всем диапазоне питающих напряжений практически в два раза больше тока микросхемы DRV5032FB, имеющей частоту 5 Гц. Можно предположить, что DRV5032FB имеет минимально возможное энергопотребление для данной технологии, и дальнейшее уменьшение частоты измерений вплоть до нуля уже не окажет существенного влияния на величину потребляемого тока.

Таблица 4. Результаты измерений потребляемого тока при температуре 27°С

Наименование Образец Напряжение питания, В
1,8 2,0 2,5 3,0 3,3 3,6 4,0 4,5 5,0 5,5
SM351LT 1 0,43 0,54 0,75 1,06 1,26 1,42 1,74 2,20 2,76 3,08
2 0,44 0,51 0,73 1,00 1,20 1,40 1,75 2,15 2,60 3,00
3 0,46 0,54 0,76 1,04 1,26 1,43 1,76 2,19 2,63 3,19
4 0,45 0,50 0,74 1,05 1,25 1,52 1,81 2,18 2,68 3,15
5 0,45 0,52 0,72 1,03 1,25 1,45 1,73 2,17 2,76 3,14
Среднее значение 0,45 0,52 0,74 1,04 1,24 1,44 1,76 2,18 2,69 3,11
SM353LT 1 0,39 0,45 0,65 0,92 1,09 1,28 1,60 1,99 2,47 2,81
2 0,39 0,43 0,65 0,90 1,08 1,27 1,53 2,00 2,38 2,84
3 0,37 0,47 0,68 0,92 1,07 1,27 1,61 1,95 2,50 2,90
4 0,44 0,48 0,69 0,92 1,09 1,29 1,62 1,93 2,50 2,91
5 0,40 0,47 0,67 0,93 1,12 1,32 1,60 2,01 2,41 2,93
Среднее значение 0,40 0,46 0,67 0,92 1,09 1,27 1,59 1,98 2,45 2,88
DRV5032FA 1 1,10 1,18 1,41 1,51 1,58 1,64 1,72 1,80 1,95 2,10
2 1,14 1,20 1,45 1,53 1,60 1,67 1,73 1,83 1,95 2,03
3 1,12 1,21 1,51 1,59 1,65 1,70 1,79 1,85 2,00 2,20
4 1,11 1,23 1,46 1,54 1,59 1,64 1,73 1,80 1,90 2,06
5 1,07 1,14 1,39 1,48 1,52 1,60 1,67 1,75 1,86 2,05
Среднее значение 1,11 1,19 1,44 1,53 1,59 1,65 1,73 1,81 1,93 2,09
DRV5032FB 1 0,49 0,50 0,61 0,66 0,71 0,75 0,79 0,88 1,01 1,13
2 0,49 0,50 0,59 0,64 0,70 0,75 0,78 0,88 1,00 1,15
3 0,50 0,53 0,62 0,66 0,71 0,76 0,83 0,90 1,02 1,16
4 0,48 0,51 0,60 0,63 0,70 0,75 0,80 0,86 1,00 1,15
5 0,49 0,52 0,61 0,65 0,70 0,75 0,81 0,91 1,03 1,17
Среднее значение 0,49 0,51 0,61 0,65 0,70 0,75 0,80 0,89 1,00 1,15

Форму тока, потребляемого микросхемами, можно увидеть, удалив перемычку и подключив осциллограф к резистору R3. Результаты измерений (рисунок 15) подтверждают, что он имеет ярко выраженный импульсный характер и отличается в активном и спящем режимах на несколько порядков.

Рис. 15. Форма тока, потребляемого микросхемой SM351LT

Другой важной характеристикой датчиков Холла является чувствительность, определяющая особенности практического применения, а также требования к характеристикам и расположению источников магнитного поля. В технической документации на микросхемы указывается величина индукции в точке, соответствующей расположению корпуса прибора. Однако на напряженность магнитного поля существенно влияет расстояние, поэтому при использовании реальных магнитов датчик будет срабатывать на определенной дистанции, зависящей от их геометрических размеров и остаточной индукции.

Для оценки расстояния, необходимого для срабатывания датчика, можно воспользоваться документацией TI или информационными материалами, посвященными датчикам Холла. Для постоянных магнитов прямоугольной формы индукцию на расстоянии D от поверхностей полюсов магнита можно определить по формуле 2:
$$\vec{B}=\frac{B_{r}}{\pi}\times \left(\arg \tan \left(\frac{WL}{2D\times\sqrt{4D^{2}+W^{2}+L^{2}}}\right)-\arg \tan \left(\frac{WL}{2(D+T)\times\sqrt{4(D+T)^{2}+W^{2}+L^{2}}}\right)\right).\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

А для цилиндрических – по формуле 3:
$$\vec{B}=\frac{B_{r}}{2}\times \left(\frac{D+T}{\sqrt{(0.5C)^{2}+(D+T)^{2}}}-\frac{D}{\sqrt{(0.5C)^{2}+D^{2}}}\right),\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где W – ширина, L – длина, T – толщина, С – диаметр, Br – индукция магнита (рисунок 16).

Рис. 16. Определение индукции магнитного поля на расстоянии от поверхности постоянных магнитов

Для этой цели также можно воспользоваться онлайн-калькулятором, доступным на сайте Texas Instruments. Преимуществом последнего варианта является возможность быстрого определения расстояния, на котором будет срабатывать конкретный прибор. Например, введя параметры постоянного магнита на странице, посвященной датчикам DRV5032, можно сразу определить как величину индукции в нужной точке, так и расстояния, на которых сработают все версии микросхем данной модели (рисунок 17).

Рис. 17. Онлайн-калькулятор Texas Instruments

Именно этот калькулятор и был использован для определения индукции, создаваемой используемым в измерениях цилиндрическим постоянным магнитом из материала N38 8 х 8 мм (рисунок 17).

Результаты измерений чувствительности датчиков приведены в таблице 5. Согласно полученным данным, при использовании указанного выше магнита датчики Texas Instruments срабатывали на среднем расстоянии 24 мм, что соответствует индукции 3,6 мТл, и восстанавливали исходное состояние на среднем расстоянии 33…34 мм (при индукции 1,45…1,48 мТл). Во время проведения исследований магнит перемещался по оси, перпендикулярной верхней плоскости микросхемы и проходящей через ее центр (рисунок 9). Согласно технической документации, соответствующие характеристики этих приборов должны находиться в пределах 1,5…4,8 мТл (срабатывание) и 0,5…3,0 мТл (восстановление) во всем диапазоне питающих напряжений. Таким образом, все образцы микросхем DRV5032FA и DRV5032FB полностью отвечают заявленным характеристикам.

Таблица 5. Результаты измерений чувствительности при напряжении питания 5 В

Наименование Образец Расстояние, мм
Срабатывание Восстановление
SM351LT 1 35 38
2 35 39
3 36 40
4 37 40
5 36 38
Среднее значение 36 (1,25 мТл) 39 (1,0 мТл)
SM353LT 1 32 35
2 30 34
3 31 36
4 32 37
5 31 34
Среднее значение 31 (1,86 мТл) 35 (1,34 мТл)
DRV5032FA 1 24 33
2 25 35
3 25 35
4 24 32
5 24 34
Среднее значение 24 (3,6 мТл) 34 (1,45 мТл)
DRV5032FB 1 24 34
2 25 35
3 22 32
4 24 34
5 23 32
Среднее значение 24 (3,6 мТл) 33 (1,58 мТл)

При исследованиях датчиков Honeywell магнит перемещался в соответствии с рекомендациями производителя (рисунок 12). Датчики SM351LT срабатывали при среднем расстоянии между магнитом и микросхемой, равном 36 мм, что соответствует индукции 1,25 мТл, и восстанавливали свою работу на среднем расстоянии 39 мм, что соответствует индукции 1,0 мТл. Согласно технической документации, для микросхем SM351LT индукция срабатывания должна находиться в диапазоне 3…11 Гс (0,3…1,1 мТл), а отпускания – не менее 2 Гс (0,2 мТл), причем максимальное значение этой величины не нормируется. Как видно из результатов исследований, реальная чувствительность датчиков SM351LT оказалась несколько ниже величин, заявленных в технической документации, в отличие от микросхем SM353LT, срабатывавших при средней индукции 1,86 мТл (среднее расстояние 31 мм), находящейся в допустимом диапазоне 6…20 Гс (0,6…2,0 мТл).

Охранные системы, счетчики энергоресурсов, медицинское оборудование, устройства интернета вещей – вот далеко не полный перечень приложений, в которых можно использовать датчики Холла, рассмотренные в данной статье. Ключевыми особенностями всей техники, в которой можно применить эти микросхемы, являются компактность и жесткие требования к энергопотреблению, ведь именно для этих целей они и были разработаны.

Несмотря на то, что рассмотренные приборы выпускаются разными производителями, по своим характеристикам они взаимно дополняют друг друга, обеспечивая комплексную аппаратную платформу, на основе которой разработчики могут решить множество практических задач.

Наши информационные каналы

Рубрика: статья

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле с индукцией B {\displaystyle B} течёт электрический ток с плотностью j {\displaystyle j} под действием напряжённости E {\displaystyle E} . Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E 1 {\displaystyle E_{1}} не скомпенсирует силу Лоренца:

e E 1 = e v B ⇒ E 1 = v B . {\displaystyle eE_{1}=evB\Rightarrow E_{1}=vB.} где e {\displaystyle e} — электрический заряд электрона.

Скорость электронов v {\displaystyle v} можно выразить через плотность тока j {\displaystyle j} :

j = n e v ⇒ v = j n e , {\displaystyle j=nev\Rightarrow v={\frac {j}{ne}},} где n {\displaystyle n} — концентрация носителей заряда. Тогда E 1 = 1 n e j B . {\displaystyle E_{1}={\frac {1}{ne}}jB.}

Коэффициент R H = 1 n e {\displaystyle R_{H}={\frac {1}{ne}}} пропорциональности между E 1 {\displaystyle E_{1}} и j B {\displaystyle jB} называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их знак заряда для большого числа металлов и полупроводников.

Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны, имеющие отрицательный заряд, для некоторых металлов — например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам в достаточно сильном магнитном поле наблюдается положительный знак константы Холла R H {\displaystyle R_{H}} , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Применение

Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике. В отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях − тип носителей заряда (электроны или дырки) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников (см. Метод ван дер Пау).

На основе эффекта Холла работают датчики Холла — приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли датчика положения ротора (ДПР), который реализует обратную связь по положению ротора и выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Датчики Холла применяются:

  • в системах электронного зажигания двигателей внутреннего сгорания;
  • в приводах дисководов и двигателях вентиляторов компьютерной техники;
  • в магнитометрах смартфонов в качестве физической основы работы электронного компаса;
  • в электроизмерительных приборах (токоизмерительные клещи, пробники тока) для бесконтактного измерения силы тока (на фото).
  • на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей

> См. также

  • Гальваномагнитные эффекты
  • Термогальваномагнитные эффекты
  • Расщеплённые холловские структуры
  • Магнитогидродинамический эффект

Датчик Холла

Датчик дождя, датчик уровня жидкости, датчик температуры – он же термометр. Вроде бы все ясно: датчик дождя показывает наличие дождя, датчик уровня жидкости показывает, как ни странно, уровень жидкости; термометр – от греч. – тепло и измерять, показывает температуру. Но вот что за странное название: датчик Холла?

С чего все начиналось

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странную вещь… Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я отметил с гранями ABCD.

Так вот, когда он пропускал постоянный ток через грани D и B, поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и знаете что обнаружил? Разность потенциалов на гранях А и C! Или проще сказать, напряжение. Этот эффект и назвали в честь этого ученого.

Как только он сделали это открытие, вскоре стали делать радиоэлементы на этом эффекте. Чтобы не заморачиваться с названием, назвали в честь того, кто открыл этот эффект – в честь Холла. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, называют датчиками Холла.

Линейные датчики Холла

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку. Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого проводоа, например, токовые клещи

а также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально измеряемым параметрам магнитного поля.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Разработчики на этом не остановились. Как только наступила эра цифровой элек троники в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Выглядит все это примерно вот так:

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные. Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. То есть подносим например южный полюс магнита, датчик сработал. На северный магнитный полюс ему наплевать.

Биполярные. Здесь уже интереснее. Подносим магнит одним полюсом – датчик сработал и продолжает работать даже тогда, когда мы убираем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Омниполярные. Этим датчикам по барабану на какой полюс включаться и выключаться. Пусть будет хоть южный или северный.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

А вот здесь можно скачать даташит на этот датчик: (нажмите сюда). Итак, на первую ножку подаем плюс, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого давайте соберем простейшую схемку: простой светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и, конечно же, сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от Блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс – на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать северный и южный полюс.

Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу перестал гореть

Переворачиваю магнит другим полюсом и вуаля!

Если магнитик не переворачивать, то есть не менять полюса, то у нас светодиод также останется потухшим, потому как датчик у нас биполярный.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль. Поэтому датчики Холла с логическими элементами в одном корпусе очень полюбила цифровая электроника. Их можно подцепить к микроконтроллерам и другим логическим элементам.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков Холла

  • датчики тока
  • тахометры
  • датчики вибрации
  • детекторы ферромагнетиков
  • датчики угла поворота
  • бесконтактные потенциометры
  • бесколлекторные двигатели постоянного тока
  • датчики расхода
  • датчики положения
  • датчики частоты вращения
  • устройства синхронизации
  • датчики систем зажигания автомобилей
  • датчики положения
  • счетчики импульсов
  • датчики положения клапанов
  • блокировка дверей
  • измерители расхода
  • бесконтактные реле
  • детекторы приближения
  • датчики бумаги (в принтерах)

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Там нет электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона и электромагнитного реле. Используйте на здоровье датчики Холла в своих электронных устройствах.

Что это за датчик?

Датчик Холла — датчик определения положения который основан на эффекте Эдвина Холла. Используется в смартфоне в роли магнитометра, как основа для работы электронного компаса и не только. Его задача — фиксировать наличие магнитного поля и определять его изменение.

Эффект Холла был открыт еще 1879 году в тонких пластинках золота, но использовать его в технике смогли только через 75 лет, когда наладили производство полупроводниковых пленок с нужными для него свойствами. Ему нашли применение в автомобилях — он помогал делать измерения угла положения распредвала/коленвала.

В смартфоне используется упрощенный аналог устройства, определяющий только наличие магнитного поля без определения напряженности по осям. Реализация довольно проста: помещенный в магнитное поле проводник, по которому проходит электрических ток, способствует тому, что электроны отклоняются к одной из граней пластины. Электроны в этой части накапливают отрицательный заряд, на противоположной грани — положительный. Процесс продолжается до момента, пока образовавшееся электрическое поле не компенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. Образованная разность потенциалов (которую именуют холловским напряжением) на краях пластины фиксируется датчиком Холла. В телефоне он реализован микросхемой, на выходе которой создается сигнал в двух состояниях:

  • единица (1 — есть сигнал);
  • ноль (0 — сигнала нет).

В зависимости от считанной информации с датчика смартфон выполняет запрограммированное действие.

Сейчас этот эффект применяется в разных технических реализациях. Кроме современных телефонов, повседневное применение нашлось:

  • в системах электронного зажигания ДВС;
  • в приводах дисководов;
  • двигателях кулеров компьютерной техники;
  • в электроизмерительных приборах для реализации бесконтактного измерения силы тока;
  • в ионных реактивных двигателях.

Для чего он нужен в телефоне?

Несколько лет назад, магнитометр с дюжиной возможностей можно было встретить только во флагманских смартфонах. Сейчас же, он установлен практически в каждый телефон. Смартфон, укомплектованный магнитометром (работающим по принципу датчика Холла) позволял измерять величину электромагнитной индукции различных приборов, управлять бесконтактно некоторыми функциями телефона (например листание фотографий с помощью жестов, без физического контакта) и т.д.

Хотя магнитометр и установлен во множество мобильных устройств, не в каждом его функции реализованы на полную.

Делается это по техническим (например, не хватает места в конструкции телефона или для уменьшения энергопотребления) и финансовым (в бюджетных моделях) причинам. Если убрать все дополнительные функции, задача упомянутого сенсора сводится к двум основным функциям:

  1. Цифровой компас. Используется навигационными программами для ускорения позиционирования и более точного определения направления движения. При помощи датчика, GPS поиск происходит быстрее.
  2. Взаимодействие с аксессуарами. Приобретя магнитный чехол для смартфона, датчик позволит смартфону включать и отключать дисплей в зависимости от удаления/приближения магнита на аксессуаре.

Эффект «выключения дисплея» можно заметить при закрытой крышке в раскладных телефонах.

Типы датчиков Холла

Датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • На основании Вывода
  • На основании операции

На основе результатов

На основе выходных данных датчики Холла можно разделить на два типа:

  • Датчики Холла с аналоговым выходом
  • Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выход такого типа датчика является аналоговым по своей природе и пропорционален напряженности магнитного поля и выходу элемента Холла.

Эти датчики имеют непрерывный линейный выход. Благодаря этому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики эффекта Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Эти датчики имеют дополнительный элемент «триггер Шмитта» по сравнению с датчиками Холла с аналоговым выходом.

Именно триггер Шмитта вызывает эффект гистерезиса, и поэтому достигаются два различных пороговых уровня. Соответственно, выход всей цепи будет либо низким, либо высоким.

Переключатель эффекта Холла — один из таких датчиков. Эти датчики цифрового вывода широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах.

На основе операции

На основе операции датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • Биполярный датчик Холла
  • Униполярный датчик Холла

Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для своей работы. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса магнита используется для отпускания датчика.

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют только положительного магнитного поля южного полюса магнита, чтобы активировать, а также отпустить датчик.

Применение датчика Холла

Приложения датчиков Холла были представлены в двух категориях для простоты понимания.

  • Применение аналоговых датчиков Холла
  • Применение цифровых датчиков Холла

Применение аналоговых датчиков Холла

Аналоговые датчики с эффектом Холла используются для:

  • Измерение постоянного тока в токоизмерительных клещах (также известных как Tong Testers).
  • Определение скорости вращения колеса для антиблокировочной тормозной системы (ABS).
  • Устройства управления двигателем для защиты и индикации.
  • Чувствуя наличие питания.
  • Зондирование движения.
  • Чувствуя скорость потока.
  • Датчик давления в мембранном манометре.
  • Ощущение вибрации.
  • Обнаружение черного металла в детекторах черного металла.
  • Регулирование напряжения

Применение цифровых датчиков Холла

Цифровые датчики эффекта Холла используются для:

  • Определяя угловое положение коленчатого вала для угла зажигания свечей зажигания.
  • Чувство положения автомобильных сидений и ремней безопасности для контроля подушек безопасности.
  • Беспроводная связь.
  • Чувствительное давление
  • Ощущение близости.
  • Чувствительная скорость потока.
  • Чувствительная позиция клапанов.
  • Ощущение положения объектива.

Как большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА). Поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Тем не менее, мы можем контролировать большие электрические нагрузки с помощью датчиков Холла, добавив NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока) к выходу.

Транзистор NPN (приемник тока) функционирует в насыщенном состоянии в качестве переключателя приемника. Он замыкает выходной контакт заземлением, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «ВКЛ».

Выходной переключающий транзистор может быть в разных конфигурациях, таких как транзистор с открытым эмиттером, транзистор с открытым коллектором или оба. Вот так он обеспечивает двухтактный выход, который позволяет ему потреблять достаточный ток для непосредственного управления большими нагрузками.

ДХ является преобразователем величины индукции магнитного поля в электрическое напряжение.

В зависимости от вида передаточной функции (ПФ) датчики разделяются на линейные и цифровые (см. рис. 1.3).

Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель, устраняющей дрейф 0 при отсутствии сигнала с чувствительного элемента. Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины вектора магнитной индукции. За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на выходе равно половине напряжения питания.

В отличие от линейных датчиков магнитного поля, выход логических приборов, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, принимает всего два состояния: высокий или низкий уровень. Отсюда происходит их альтернативное наименование—магнитоуправляемые коммутаторы. Обычно они применяются для определения наличия какого-либо ферромагнитного объекта в поле «зрения» датчика.

      1. Основные характеристики линейных датчиков Холла

Полная шкала выходасоответствует диапазону выходных напряжений, в котором нелинейность не выходит из заданных пределов. Определяется как часть напряжения питания;

Диапазон измеряемой индукции устанавливается изготовителем в гауссах или миллитеслах;

Чувствительность определяется как крутизна характеристики преобразования в мВ/Гс или мВ/мТл;

Погрешность линейности характеристики преобразования — отклонение статической характеристики преобразования датчика от идеальной прямой линии в заданном диапазоне давлений. Один из способов определения погрешности линейности состоит в использовании метода наименьших квадратов, который математически обеспечивает получение прямой линии наилучшего приближения к точкам данных. Указывается в процентах от полной шкалы;

Напряжение нуля магнитного поля — значение выходного напряжения, соответствующее отсутствию магнитного поля;

Температурный дрейф нуля — изменение напряжения нуля, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения нуля, соответствующего 25°С;

Температурный дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения полной шкалы, соответствующего 25°С;

Время отклика определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% установившегося значения его приращения при скачкообразном изменении магнитного поля;

Полоса пропускания fSопределяется по уровню снижения чувствительности на 3 дБ в режиме малого сигнала.

Основные характеристики логических датчиков Холла

Индукция включения — значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от низкого к высокому уровню;

Индукция выключения—значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от высокого к низкому уровню;

Гистерезис—разность между индукциями включения и выключения;

Время переключения—определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% его установившегося значения при скачкообразном изменении индукции. Определяется отдельно для нарастания и спада магнитного поля.

Для двухвыводных датчиков задается ток потребления при низкой индукции (Н) и при высокой (В).

Промышленность выпускает широкую номенклатуру датчиков для измерения индуктивности МП от долей мкТл до единиц Тл. Напряжение питания датчиков Холла постоянное, от 4.5 до 10.5 В. Ток питания высокоомных ДХ достигает десят­ков, а низкоомных—сотен мА. Чувствитель­ность датчиков Холла с высокоомным полупроводником достигает сотен мВ/Тл, а с низкоомным — единиц В/Тл.

Диаграмма направленности датчика Холла близка к идеальной, что позволяет использовать его для определения направления вектора напряжённости МП.

    1. Оборудование и приборы для выполнения ЛР

В лабораторной работе используют измерительное устройство, содержащее:

Измерительный щуп с датчиком Холла или измерительный щуп с двумя датчиками Холла продольным и поперечным;

Блок питания;

Мультиметр для измерения выходного сигнала датчика;

Коммутационную коробку, служащую для электрического соединения перечисленных выше компонентов.

Измерительное устройство схематично изображено на рис. 1.4.

    1. Порядок выполнения ЛР

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

  1. Ознакомиться с устройством и руководствами по эксплуатации блоков измерительного устройства (датчик Холла, блок питания, мультиметр).

  2. Получить от преподавателя лабораторную установку с источником постоянного магнитного поля — постоянным магнитом.

  3. Расположить источник МП на стенде в указанном месте, сохранив ориентацию север/юг как указано на стенде.

  4. Подготовить измерительное устройство к измерениям:

  • Присоединить измерительный щуп, мультиметр и источник питания к коммутационному блоку.

  • Включить мультиметр и установить режим и диапазон измерений электрического напряжения постоянного тока согласно руководству по эксплуатации;

  • Включить источник питания, установить напряжение питания 8В.

  1. Помещая щуп с ДХ в намеченные точки измерить выходной сигнал. При измерении щуп поворачивать вокруг оси до регистрации максимального сигнала. Измерения проводить в каждой точке не менее 5 раз. Результаты оформить в виде таблицы (табл.1.1)

Таблица 1.1

Речь пойдет о датчике тока, принцип действия которого основан на эффекте Холла (Датчики Холла). Что это за эффект, и как такой датчик можно сделать в домашних условиях? Чтобы лучше понять эффект Холла нужно разобрать эксперимент физика, в честь которого был назван этот эффект.

Виды

  • Цифровые датчики. Работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчика является то, что у него есть зона нечувствительности порогов. Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные:

• Униполярные датчики Холла работают, если есть поле какой-либо полярности, выключаются при уменьшении индукции.
• Биполярные датчики Холла срабатывают на изменение полярности поля. При одной полярности датчик включается, а при другой – выключается.

  • Аналоговый вид датчиков Холла изменяет индукцию поля в разность потенциалов. Значение датчика зависит от полярности и его силы. Нужно учитывать, на каком расстоянии находится датчик.

Применение

Датчики Холла входят в состав многих приборов. Чаще они применяются в измерении напряженности поля магнитной индукции, в электродвигателях, в ионных двигателях ракет. Широкое распространение датчики Холла нашли в устройстве системы зажигания современных автомобилей.

Также они используются в бесконтактных выключателях, герконах, при измерении силы тока, уровня жидкости и других местах. Главное их преимущество – это воздействие без физического контакта.

Как проверить на автомобиле исправность датчика Холла

В быту с такой проблемой сталкиваются чаще всего автомобилисты. Наиболее простым способом является обыкновенная замена на исправный датчик. Если после замены система зажигания заработала, значит необходимо менять датчик.

Если нечем заменить проверяемый датчик, то собирают простое устройство, которое может имитировать работу датчика Холла. Берется кусок провода, и тройной разъем от распределителя зажигания. Эти предметы работают аналогично датчику.

Для контроля пользуются обычным мультиметром. Если датчик вышел из строя, то тестер покажет 0,4 вольта или меньше. Также проверяется работа датчика путем проверки искры при подключении зажигания. Перед этим соединяют концы провода к выходам коммутатора.

Если неисправность возникла не на автомобиле, а на другом оборудовании, то необходим тестер. Методика проверки будет зависеть от прибора, в котором установлен датчик.

Датчики Холла в смартфонах

Мобильные гаджеты имеют в составе много функциональных блоков. Среди них есть вспомогательные датчики, одним из которых является датчик Холла. В современных устройствах связи такие датчики являются измерительными элементами, с помощью которых определяют мощность магнитного поля, его изменения. Они называются в честь ученого Холла.

Для чего установлен датчик Холла в смартфоне

Этот сенсорный элемент имеет много возможностей. Одной из них является измерение магнитной индукции приборов, а также бесконтактное управление. В дорогих моделях смартфонов имеется магнитометр, работа которого основана на датчике Холла.

На многих мобильниках этот датчик не полностью реализован. В основном этот сенсор применяют для таких задач:

  • Цифровой компас. Применяется для программ навигации и повышения скорости позиционирования.
  • Оптимизация взаимодействия устройства с разными аксессуарами, магнитными чехлами.
  • Применение датчика в раскладных моделях телефонов, для включения и отключения экрана при движении крышки.

Пример работы магнитного датчика Холла в чехле и смартфона заключается в том, что при открывании и закрытии чехла автоматически происходит блокировка экрана. Датчик реагирует на движение магнита, на усиление магнитного поля.

Принцип действия

Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.

Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.

На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле.

Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла.

Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.

Сборка датчика тока на основе эффекта Холла

Попробуем сделать собственный датчик тока. Понадобится ферритовое кольцо и датчик Холла. Найти ферритовое кольцо не составляет особых проблем. Они есть в блоках питания компьютера или энергосберегающих ламп, а также продаются в радиомагазинах по цене от 10 до 100 рублей в зависимости от размера самого кольца. В нашем случае имеется кольцо диаметром 28 мм за 55 рублей.

Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он недорого. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Датчики Холла Аналоговые и цифровые (Дискретные).

Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока. В нашем случае это аналоговый датчик ОН49Е.

Схема подключения датчика

Схема подключения выглядит следующим образом.

Как видно из рисунка для детектирования магнитного поля, создаваемого током в проводнике, нам необходимо будет сделать зазор в ферритовом кольце и поместить туда датчик Холла. Тем самым появится возможность измерять величину этого электромагнитного поля. На основании полученных данных можно делать вывод о том, есть ли сейчас ток в проводнике, и какой он величины.

Чтобы получить более универсальный вариант этого датчика, мы распилили ферритовое кольцо пополам, что без тисков было сделать сложно. Это привело к поломке кольца. Как хорошо, что люди придумали клей, и это дело мы быстро исправили. Получив две половинки, мы убрали неровности наждачной бумагой. Затем на одну из сторон мы вырезали и приклеили плотный лист бумаги. На другую сторону сам датчик Холла. После этого мы приклеили обе половинки к большому крокодилу на 30 ампер.

В итоге получились токовые клещи, или более универсальный вариант датчика тока, который можно снять и присоединить к любому проводу без его разреза. Такие разделяемые датчики тока стоят около 1500 рублей, при заказе в Китае. Экономия получилась налицо.

Датчик готов.

Промышленное напряжение в сети переменного тока изменяется с частотой 50 герц. То есть, направление тока, текущего по проводнику, будет меняться 50 раз в секунду. Электромагнитное поле также вслед за током будет менять свое направление 50 раз в секунду.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *