Принцип работы датчика холла: что это, как работает, где применяется, схема

Содержание

устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

Датчик Холла — прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Его работа основана на эффекте Холла, который представляет собой явление возникновения разности потенциалов в магнитном поле при помещении в него проводника с постоянным током. Это устройство нашло широкое применение в различных приборах и механизмах.

История создания прибора
Конструктивные особенности
Принцип действия
Виды устройств
Применение датчика
Использование сенсоров в смартфонах

История создания прибора

В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток. Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.

Это явление получило название эффекта Холла и привлекло внимание общественности. Спустя 75 лет, когда промышленность начала выпускать полупроводниковые пленки, это открытие нашло широкое применение в области техники.

Сегодня датчики используются:

В электронном зажигании на автомобилях.
В двигателях компьютерного дисковода и вентилятора.
Как основа электронного компаса в смартфонах.
В бесконтактных электрических приборах для измерения силы тока и напряжения.
В некоторых моделях ионных реактивных двигателей.

Первые разновидности датчиков стали выпускаться в середине XX века. В 1965 году американские специалисты создали твердотельный прибор, который значительно улучшил работу оборудования. Датчики считаются практически вечными, так как не имеют взаимодействующих и трущихся элементов.

Конструктивные особенности

Наиболее эффективными материалами для изготовления датчика считаются полупроводники арсениды галлия и индия. Чаще прибор представляет собой пленку, толщина которой не превышает 10 мкм.

Датчик имеет три клеммы:

питающая с входным напряжением 6В;
нулевой контакт;
выходная, с которой сигнал поступает на коммутатор.

Клемма, к которой подходит питание, широкая и занимает всю сторону прямоугольника. Выходная клемма обладает точечным электродом. В качестве нулевого контакта выступает общая точка. Так как при отсутствии магнитного поля на контактах остается небольшой сигнал, то для коррекции выходных данных применяется дифференциальный усилитель.

Микросхема наносится на подложку методом литографии, что позволяет повысить точность показаний. Обычно в различных приборах это применяется для проверки положения элементов механизма.

Принцип действия

Принцип работы датчика Холла основан на гальваномагнитном явлении, которое показывает результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником. Полупроводник подключен к электрической цепи, которая меняет его свойства.

Как только появляется поперечное напряжение, то сразу возникает эффект Холла. В этот момент заряд направлен перпендикулярно вектору поля. Такое явление объясняется воздействием на электроны или дырки силы Лоренца, которая и приводит к их отклонению.

Под воздействием этой силы частицы в полупроводнике двигаются в разные стороны, в соответствии со своим знаком. На одной стороне пластины собираются электроны (отрицательный заряд), а на другой частицы с положительным знаком.

По мере накопления зарядов между ними возникает электрический поток, который препятствует их перемещению под воздействием силы Лоренца. При достижении равенства этой силы и магнитного поля полупроводник вступает в фазу равновесия. Именно так и работает датчик Холла.

Виды устройств

Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля.

Существуют датчики двух видов:

цифровые;
аналоговые.

Цифровые приборы бывают биполярными и униполярными. Биполярные элементы работают в зависимости от полярности магнитного поля, то есть одна включает датчик, а вторая отключает.

Униполярные приборы включаются при появлении любой полярности и отключаются по мере ее уменьшения. Цифровые сенсоры измеряют индукцию и появление соответствующего напряжения, то есть наличие или отсутствие магнитного поля.

Прибор показывает единицу, когда индукция поля достигает пороговое значение. До этого момента сенсор будет показывать ноль. Такой датчик не сможет определить наличие магнитного поля со слабой индукцией. Кроме того, на точность показаний будет влиять дистанция до измеряемого объекта.

Применение датчика

Широко применяются преобразователи Холла в современной бытовой технике. С их помощью происходит взвешивание белья в стиральных машинах. При запуске агрегата вещи сначала намокают, а потом начинает вращаться барабан. По его скорости вращения определяется общий вес и происходит программирование машины на расход порошка, воды и ополаскивателя.

В серийном производстве впервые датчики стали использоваться в компьютерных клавиатурах. Здесь происходит взаимодействие чувствительного элемента на плате и магнита на клавишах. Упругость осуществляется за счет полимерного материала, который обладает большим сроком службы.

Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.

Благодаря индуктивности из медной проволоки, находящейся в клещах, создается возбуждение и образуется электромагнитная волна. Часть ее значения оценивается сенсором, который передает данные в контроллер. По заложенным в нем формулам производится расчет, и результат выводится на дисплей.

Применяются датчики в сотовых телефонах для слежения за зарядом аккумулятора и его расходом. Но очень важным такой момент считается в эксплуатации электромобилей, так как наличие энергии в них занимает особое место. Используются преобразователи Холла в электронных компасах и в качестве стабилизатора изображений в мобильных камерах.

Но особенно широко эти приборы применяются в автомобильной промышленности. В автомобилях с их помощью происходит определение частоты вращения коленвала двигателя, положение дроссельной заслонки, скорости движения автомобиля и так далее. Применяется датчик в электронной системе зажигания. Находится он в трамблере и заменяет контакты для образования искры.

Использование сенсоров в смартфонах

Благодаря небольшим размерам датчики Холла нашли широкое применение в современных электронных гаджетах. В смартфонах они помогают возвращать экран в исходное положение, обеспечивают быстрый запуск GPS поиска, увеличивают срок службы аккумуляторной батареи и так далее.

Способность реагировать на магнитное поле используется в раскладывающихся телефонах и ноутбуках. Благодаря наличию датчика, происходит включение устройств при открытии и отключение при закрытии экрана. В смартфонах такую же функцию выполняет датчик, который взаимодействует с магнитом, встроенным в чехол книжку. Когда чехол открывается, то воздействие поля ослабевает и сенсор включает подсветку экрана.

Преобразователь Холла в гаджетах выполняет следующие полезные функции:

обеспечивает ориентирование по отношению к горизонту земли;
работает в качестве компаса мобильного устройства;
совершает ориентирование экрана.

Немаловажное значение датчик имеет в устройстве видеокамеры. Вкупе со специальной микросхемой он позволяет корректировать качество изображения. Особенно это проявляется при съемках в вечернее время.

Что такое датчик Холла?

Датчик Холла (датчик положения) представляет собой датчик магнитного поля. Работа устройства основана на эффекте Холла. Данный эффект основан на следующем принципе: если поместить определенный проводник с постоянным током в магнитное поле, то в таком проводнике возникает поперечная разность потенциалов (напряжение Холла). Другими словами, устройство служит для измерения напряжённости магнитного поля. Сегодня датчик Холла может быть как аналоговым, так и цифровым.

Сфера применения датчиков Холла очень широка. Устройство используется в таких схемах, где требуется бесконтактное измерение силы тока. Что касается автомобилей, датчик Холла служит для измерения угла положения распределительного или коленчатого вала, а также нашел свое применение в системе зажигания, указывая на момент образования искры.

Содержание статьи

Как работает датчик Холла
Аналоговые и цифровые решения
Самостоятельная проверка устройства

Как работает датчик Холла

Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.

Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения. Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.

Простейший датчик состоит из:

постоянного магнита;
лопасти ротора;
магнитопроводов;
пластикового корпуса;
электронной микросхемы;
контактов;

Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве топливного электробензонасоса, а также о механическом решении. Из этой статьи вы узнаете о назначении, конструктивных особенностях и принципах работы данных устройств.

Аналоговые и цифровые решения

Датчики на основе эффекта Холла фиксируют разницу потенциалов. Аналоговое решение, рассмотренное выше, основано на преобразовании индукции поля в напряжение с учетом полярности и силы поля.

Принцип работы цифрового датчика состоит в фиксации присутствия или отсутствие поля. В случае достижения индукцией определенного показателя датчик отмечает наличие поля. Если индукция не соответствует необходимому показателю, тогда цифровой датчик показывает отсутствие поля. Чувствительность датчика определяется его способностью фиксировать поле при той или иной индукции.

Цифровой датчик Холла может быть биполярным и униполярным. В первом случае срабатывание и отключение устройства происходит посредством смены полярности. Во втором случае включение происходит при появлении поля, отключается датчик в результате того, что индукция снижается.

Самостоятельная проверка устройства

Активное использование данного устройства в автомобилях означает, что при появлении определенных неисправностей или сбоев в работе ДВС может возникнуть острая необходимость проверить датчик Холла своими руками.

Перед началом работ по отсоединению разъема кабеля, который подключен к устройству, следует обязательно выключать зажигание!

Игнорирование данного правила может вывести датчик Холла из строя. Необходимо добавить, что проверка устройства при помощи контрольной лампы также недопустима.

Одним из самых быстрых способов проверки является установка заведомо исправного подменного датчика на автомобиль. Если признаки неисправности после установки исчезают, тогда причина очевидна.

Вторым способом, который подойдет для проверки датчика в системе зажигания, является проверка наличия искры в момент включения зажигания. Дополнительно потребуется осуществить подсоединение концов провода к нужным выходам на коммутаторе.
Для максимально точной диагностики устройство лучше всего поверять при помощи осциллографа. Также в определенных условиях датчик проверяют при помощи мультиметра. Указанный мультиметр переводят в режим вольтметра, после чего подсоединяют к выходному контакту на датчике. Рабочий датчик Холла выдаст показания от 0.4 Вольт до 3-х. Если показания ниже минимального порога, тогда высока вероятность выхода датчика из строя.

Датчик Холла | Датчик Холла

Содержание

Введение-

Наиболее распространенной технологией в теории ЭМ поля для обнаружения магнитного поля является метод эффекта Холла среди различных технологий измерения. На основе принципа эффекта Холла существует множество датчиков и преобразователей на эффекте Холла, используемых в самых разных областях измерения, которые чаще всего используются для определения близости, расстояния, скорости, силы тока, положения и т. д.

हिंदी में पढ़े

A Датчик Холла (или просто называемый Датчик Холла ) — это устройство, которое обнаруживает магнитное поле и вокруг него, используя принцип Холла. Датчики Холла в основном представляют собой магнитные датчики, которые предназначены для реагирования на широкий диапазон положительных и отрицательных магнитных полей в различных приложениях. Поскольку магнитное поле имеет две важные характеристики, плотность магнитного потока (В) и полярности (положение N или S полюс), выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально напряженности магнитного поля (B). Здесь генерируемое напряжение является поперечным и называется напряжением Холла (V _H ).

Типичная схема датчика Холла показана ниже:

Принцип работы датчика Холла полупроводник помещается в перпендикулярное магнитное поле, создается или измеряется поперечное напряжение под прямым углом к пути тока. Этот эффект получения измеримого напряжения на материале известен как эффект Холла. И это поперечное напряжение обозначается как Напряжение Холла . Чтобы объяснить лежащую в основе теории, ниже показана диаграмма:

Когда элемент Холла/датчик Холла подключен к цепи, содержащей источник постоянного тока, начинает течь ток, и носители заряда следуют приблизительно по прямой линии достопримечательность’. Для обнаружения физических величин, таких как положение, скорость, сила тока, температура и т. д., используется магнитная система для преобразования физических величин в изменение магнитного поля. При изменении магнитного поля, составляющего перпендикулярно протекающему току, магнитное поле носителей заряда искажается. Это приводит к нарушению прямого потока носителей заряда. Таким образом, возникает сила Лоренца, перпендикулярная как траектории «линии зрения», так и приложенному магнитному полю. Это создает электрическое поле, которое противодействует миграции дополнительных носителей заряда, и поэтому устанавливается устойчивый электрический потенциал в результате протекания заряда в течение более длительного времени. это называется Напряжение Холла (В _H ) .
Формула напряжения зала —
Напряжение зала (v _H) определяется как
Из формулы ясно, что выходной подключение из зала
. датчика или преобразователя прямо пропорциональна силе магнитного поля. Таким образом, датчик на эффекте Холла можно использовать для измерения напряженности магнитного поля.
Цепь датчика Холла
В основном датчик Холла преобразует магнитное поле в электрический сигнал. Существуют различные типы интегральных схем датчика Холла для различных приложений, таких как обнаружение движения, положения, скорости, изменения напряженности поля электромагнита, постоянного магнита или ферромагнитного материала и т. д. Датчик Холла также может использоваться для переключателей. . Блок-схема датчика Холла указана ниже:
Принципиальная схема для Датчик Холла IC 3144 показан ниже-
Типы датчиков Холла
В зависимости от типа выходного сигнала датчика Холла существуют две категории-
90
Цифровой датчик Холла
Линейные датчики Холла в основном представляют собой аналоговые датчики Холла. Здесь выход датчика холла аналоговый и пропорциональный напряженности магнитного поля (В). Таким образом, аналоговый сигнал (выходной сигнал) увеличивается с более сильным магнитным полем и уменьшается, когда магнитное поле ослабевает.
Цифровые датчики Холла в основном обеспечивают цифровой выход в ответ на изменение магнитного поля путем преобразования напряжения Холла в цифровую форму. Они используют схемы триггера Шмитта как бистабильную схему, которая постоянно увеличивает и уменьшает выходной сигнал, когда напряжение возрастает и падает до его пороговых значений. Цифровые датчики Холла можно использовать для контроля скорости, обнаружения приближения, подсчета объектов, а также для широкого спектра коммутационных приложений и т. д. Схема цифрового датчика Холла показана ниже.0003

Датчик Холла-
Датчик Холла — это устройство, использующее калиброванный датчик Холла для измерения напряженности магнитного поля. Вот почему результат датчика Холла зависит как от ориентации, так и от положения датчика.
Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является более высокая подвижность электронов. Существует несколько материалов, которые особенно подходят для датчиков Холла, как показано ниже.0003
Арсенид галлия (GaAs)
Арсенид индия (InAs)
Фосфид индия (InP)
Антимонид индия (InSb)
Графен
Датчики Холла
В технологии BLDC (бесколлекторный постоянный ток) используется
В двигатель BLDC (вентилятор BLDC)
для двигателя внутреннего сгорания опережения зажигания
в мобильных телефонах и планшетах
В датчиках оборотов, таких как тахометры
В энкодерах
В антиблокировочных системах тормозов (в автомобильной промышленности)
В приложении переключения
Датчики положения и приближения
Датчики тока
В компьютерах в качестве датчиков индекса дисковода, в клавиатурах.
Они также используются для измерения расхода, уровня, давления и температуры и т. д.
Производитель датчика Холла
Allegro Microsystems (модели A3141, A3142, A3143, A3144, A1101, A1102, A1103, A1104)
Датчик Холла Honeywell (серия моделей SS39ET, SS49E, SS59ET)
Микроволновая печь Carter (модель Oh237)
Интерфейсный датчик Холла Arduino
Принципиальная схема для сопряжения датчика Холла с Arduino Uno с датчиком Холла показана ниже-
Эффект Связанный поиск:-
0
Датчик и преобразователь
Активный преобразователь
Пассивный преобразователь
Что такое датчик Холла? — Принцип действия датчика Холла, типы обнаружения
Определение: Датчик Холла представляет собой твердотельное устройство , которое переключается в активное состояние при попадании в магнитное поле . Выходное напряжение датчика Холла зависит от магнитного поля вокруг него. Когда магнитное поле на полупроводниковой пластине изменяет плотность магнитного потока также меняется, из-за чего изменяется выходное напряжение датчика Холла.
Датчик Холла работает по принципу эффекта Холла .
В соответствии с эффектом Холла, когда пластина полупроводника помещается в магнитное поле при условии, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны оси образца полупроводника, а ток проходит вдоль оси образца полупроводника, тогда носители заряда полупроводникового прибора испытывают магнитное поле. сила.
Благодаря этой магнитной силе они отталкиваются в сторону, т.е. к краям плиты. Вследствие этого создается электрическое поле за счет скопления носителей заряда по краям. Таким образом, выходное напряжение меняется в зависимости от изменения магнитного поля. Эффект Холла основан на принципе Лоренца.
Датчики на эффекте Холла используют это явление эффекта Холла для измерения основных величин, таких как положение, скорость, полярность и т. д. Два важнейших термина, связанных с магнитным полем, — это плотность магнитного потока и полярность (северный полюс и южный полюс). Датчики на эффекте Холла используют эти термины для восприятия.
Выходное напряжение, генерируемое датчиком, напрямую зависит от плотности магнитного потока. Таким образом, если магнитное поле на датчике изменяется, выходной сигнал эффекта Холла также изменяется. Таким образом, он обеспечивает работу датчиков.
Датчик Холла и магнитный датчик
Вы, должно быть, думаете, что магнитный датчик делает то же самое. Так можем ли мы связать датчик Холла с магнитным датчиком? Да, датчик Холла — это только тип магнитного датчика. Магнитные датчики также определяют положение, скорость с помощью изменения плотности магнитного потока.
Принципиальная схема переключателя на эффекте Холла с использованием датчика Холла
Выходное напряжение, создаваемое датчиком на эффекте Холла, очень мало. Даже при высокой величине магнитного поля создаваемое выходное напряжение невелико. Таким образом, усилители постоянного тока используются для усиления выходного напряжения. Кроме того, для получения регулируемого напряжения также используются регуляторы и переключающие схемы.
Датчик Холла может обеспечивать как линейный, так и нелинейный выходной сигнал, т. е. цифровой выход. Напряжение Холла изменяется линейно с напряженностью магнитного поля H в случае линейного выхода.
Изменение выходного напряжения в зависимости от плотности магнитного потока показано на диаграмме ниже.
Датчик Холла с линейным и цифровым выходом
Выше мы говорили о том, что линейные аналоговые датчики генерируют выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от плотности магнитного потока приложенного магнитного поля. Через определенное время значение выходного напряжения становится постоянным со значением плотности магнитного потока. Таким образом достигается стадия насыщения.
На этой стадии насыщения выходное напряжение больше не будет увеличиваться с увеличением плотности магнитного потока. Он становится насыщенным. Выходное напряжение будет низким, если напряженность магнитного поля низкая, и выходное напряжение будет высоким, если напряженность магнитного поля высока.
В случае датчика Холла с цифровым выходом выход будет состоять только из двух ступеней, т. е. ВКЛ и ВЫКЛ. В датчиках Холла с цифровым выходом триггер Шмита используется в координации с операционным усилителем (т.е. операционным усилителем), который формирует встроенный гистерезис. Вследствие чего отсутствуют колебания выходного напряжения.
Датчики Холла с цифровым выходом бывают двух типов: , биполярные, и , однополярные. Биполярный использует магнитное поле положительной полярности, т.е. южный полюс, для активации датчика и отрицательный полюс, т.е. северный полюс, для деактивации датчика. Напротив, датчик Холла с однополярным цифровым выходом использует только положительный полюс, то есть южный полюс, для активации и деактивации датчика Холла.
Типы обнаружения с помощью датчика Холла
Конфигурация лобового обнаружения: При лобовом обнаружении магнит движется вперед к лицевой стороне датчика Холла. Магнитное поле перпендикулярно активной области элемента Холла. Эта конфигурация датчиков Холла генерирует выходное напряжение в зависимости от силы магнитного поля.
Позволяет определить напряженность магнитного поля и плотность магнитного потока на определенном расстоянии от датчика Холла.
Конфигурация бокового обнаружения: При боковом обнаружении датчика Холла он перемещается в сторону и удерживается вблизи активной области Датчика Холла .
Позиционное обнаружение: Конфигурация позиционного обнаружения на эффекте Холла показана на диаграммах ниже. Здесь используется светодиод, мы также можем использовать транзистор, если выходной сигнал, генерируемый датчиком на эффекте Холла, должен применяться для процесса переключения более высокой нагрузки.