Датчик Холла — Виды, принцип работы, как проверить

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами — это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Интересно, что датчик Холла есть во многих современных смартфонах (пусть и упрощенный его вариант). Он может определять наличие магнитного поля и работает вместе с магнитным сенсором, который отвечает за работу компаса. Также датчик Холла используется в телефонах, для которых которых доступны специальные чехлы с магнитной защелкой — Smart Case. Сенсор определяет, открыта или закрыта крышка чехла, и автоматически включает/отключает дисплей. Чтобы узнать, какие датчики есть в смартфоне, используйте эту инструкцию.

Эффект Холла

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

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C!  Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла. 

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

где

Supply Voltage — напряжение питания датчика

Ground — земля

Voltage Regulator — регулятор напряжения

А — операционный усилитель

Hall Sensor — собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на гранях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или простыми словами, чем ближе мы поднесем магнит к датчику, тем больше будет напряжение Холла. Это и есть прямолинейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение берется сразу с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггер Шмитта, а также выходного переключающего транзистора. То есть все это будет выглядеть примерно вот так:

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.

Теоретически, если подавать ну очень сильный магнитный поток на датчик Холла, то напряжение Холла будет бесконечно большим? Как бы не так). Выходное напряжение будет лимитировано напряжением питания. То есть график будет выглядеть примерно вот так:

Как вы видите, до какого-то момента у нас идет линейная зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как оно достигло напряжения насыщения, которое ограничено напряжением питанием самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например, токовые клещи.

Существуют 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 плотности магнитного потока.

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

Как только наступила  эра цифровой элек троники, в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Самый простой датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше и он выглядит вот так:

По сути такой датчик имеет только два состояние на выходе. Либо сигнал есть (логическая единица), либо его нет (логический ноль). Гистерезис на триггере Шмитта просто устраняет частые переключения, поэтому в цифровых датчиках Холла он используется всегда.

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. К примеру, подносим южный полюс магнита и датчик сработает. На северный магнитный полюс он реагировать не будет.

Биполярные

Подносим магнит одним полюсом — датчик сработает и будет продолжать работать даже тогда, когда мы уберем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Как проверить датчик Холла

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

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую — минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

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

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

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

Как только я поднес магнит «красным» полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

Кстати, читайте про биполярный транзистор.

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.

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

• датчики тока
• тахометры
• датчики вибрации
• детекторы ферромагнетиков
• датчики угла поворота
• бесконтактные потенциометры
• бесколлекторные двигатели постоянного тока
• датчики расхода
• датчики положения

Применение цифровых датчиков

• 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. Они не имеют электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона  и электромагнитного реле. В настоящее время они уже почти полностью заменили герконы.

Приобрести датчик эффектов Холла тут.

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:

1. Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
2. Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
3. Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
4. 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 принцип работы: устройство и схема

Как работает датчик холла

В первую очередь датчик холла или ДХ является магнитоэлектрическим устройством, действие которого фундировано на физическом явлении. Последнее было открыто великим западным ученым еще в далеком 1879 году.

Общий принцип

Содержание

• 1 Общий принцип
• 2 Разновидности ДХ
• 3 Преимущества ДХ
• 4 Интеграция и проверка

Гениальность открытия заключалось в электромагнитном поле. Поставив в него металлический полупроводник, он заметил, что на противоположных торцах пластины возникает напряжение тока, способное достигать нескольких сот милливольт.

Как утверждают эксперты, ДХ устройства имеют фрикативную схему или принцип. Что это значит?

Чертеж шторки ДХ

Полупроводниковый материал расположен на одной из сторон отверстия, а постоянный магнит – с другой. При прохождении импульса тока в магнитном поле, на пластину воздействует сила.

Щель или зазор между пластиной и магнитом – это экран, задача которого замыкать силовые линии. Когда экран или шторка убирается, снимается и воздействие. Когда шторка в зазоре устройства – возникает сила, линии замыкаются.

Внимание. Экран – ничто иное, как лопасть ротора. При прохождении шторки через щель на выходе появляется напряжение.

Благодаря эффекту ДХ прибор удается применять в виде контроллера в устройствах без механических контактов. В автомобильной промышленности – это современная бесконтактная система зажигания (БСЗ). Именно ДХ в данном случае увеличивает ресурс функционирования этой системы.

Расшифровка или принцип современной БСЗ выглядит так:

1. Катушка зажигания соединена через замок с АКБ и коммутатором. От нее же идет сигнал тока на свечи зажигания (на старых системах через распределитель).
2. Коммутатор соединен с ДХ через разъем и тахометром.

Вообще, ДХ в зажигании эффективно управляет ходом искрообразования за счет того, что интегрирован около распределительного вала, где соответственно стоит магнитопроводящая пластина. Она наделена таким же количеством вертящихся элементов, сколько у ДВС цилиндров.

Принцип работы регулятора холла

При вращении роторного интерцептора возле ДХ с полученным напряжением, образуется «холловый» импульс. Подаваясь на коммутатор с ДХ, он снимается и идет в свою очередь на катушку зажигания, где и преобразуется в высоковольтное напряжение.

Разновидности ДХ

Известны на сегодня два основных вида ДХ устройств: датчики с цифровым действием и датчики с обычным.

ДХ обычного типа являются контроллерами, изменяющими индукцию магнитного поля. Значение, которое показывает этот ДХ, зависит полностью от двухполюсности и воздействия магнитоактивного поля.

Разновидности датчика холла

Напротив, цифровой ДХ не подразумевает магнитного поля. Принцип его функционирования основан на чередовании полюса и минуса импульсного напряжения. Несмотря на современный вид, цифровой ДХ имеет большой недостаток – низкую чувствительность.

Сегодня ДХ устройства нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности. Авиация, электрика, машиностроение – это только начало. Причинами такой популярности ДХ называют высокие показатели надежности и точность показаний, который способен выдавать этот контроллер. И безусловно, низкая его стоимость.

В автомобильной промышленности использование ДХ оправдано тем, что такие датчики невероятно устойчивы к резким изменениям температур и вибраций мотора.

Внимание. ДХ применяется в современных автомашинах для контроля за положением и перемещением компонентов различных систем. Например, в системе зажигания – за контролем вращения распредвала и своевременной подачи импульса в коммутатор.

ДХ применяется в автомобиле также и как скоростной регулятор или как навигатор движения. В этом случае ценным становится его умение определяться по полюсам.

Вообще, так называемое «холловское» напряжение давно и успешно эксплуатируется в автомобилестроении и в механизмах с сервоприводами. Это идеальный прибор для определения углов и положений валов, а на автомобилях старой конструкции – для определения момента искрообразования.

Датчик холла систем зажигания автомобиля

Суть функционирования ДХ сводится к тому, что при подаче напряжения на две клеммы полупроводника, на двух противоположных возникает импульс, который расценивается получателем, как толчок к дальнейшим действиям.

Ученые всего мира совершенствуют ДХ. Уже сегодня удается расширить область применения этого прибора, ведь создаются различные классы датчиков холла.

Преимущества ДХ

Абсолютная работоспособность при малых размерах – это называют преимуществом ДХ. И действительно, устройство крохотного размера невероятно компактно, и его удается поместить в любом месте ДВС или другого автомобильного механизма.

Датчик холла моделирование

Помимо этого, ДХ стабилен в функционировании, не изменяет точность показаний при любых вращениях распредвала. Он корректно реагирует на любые изменения – таков его принцип. И стабильность ДХ проявляется не только в работе, но и в стабильности характеристик сигнала.

Безусловно, ДХ имеет и свои недостатки, на первое место среди которых выходит его чувствительность. Однако имеются и другие. Рассмотрим их подробнее.

• Помехи считаются главным врагом любого электромагнитного прибора. Не исключение и этот случай, ведь помех в автоэлектрической цепи более, чем достаточно.
• Стоимость хоть и низка, но по сравнению с ценой обычного магнитоэлектрического регулятора, выше.
• Нормальная функциональность ДХ зависит от электросхем, а последние часто могут иметь шаткие референции, что отрицательно скажется на корректность показаний.

Интеграция и проверка

ДХ наделен всего 3-я выводами, один из которых нулевой (минусовой). Первый и второй выводы соответственно связаны с питанием и импульсом. Другими словами, один из выводов служит для питания, а через другой – идет сигнал на коммутатор.

Проверка работы ДХ не столь сложна, как может показаться на первый взгляд. Если заметен затрудненный пуск двигателя или нестабильность его работы, сомнения мгновенно падают на датчик холла.

Проверка и замена датчика холла

Диагностика ДХ не требует применения каких-либо сложных осциллографов, хотя по теории так и должно быть. В данном случае достаточно будет замкнуть 3-й и 6-й выводы колодки трамблера. Если при этом возникнет искра, то датчик изжил себя и требуется его обновление.

Замена тоже не вызовет особых сложностей, с этим делом можно справиться всего за 10 минут. Однако лучше тщательнее проверить установленный датчик, так как причиной некорректной работы зажигания может выступить другой элемент.

Если никаких сомнений в поломке ДХ не остается, надо будет разобрать трамблер. ДХ расположен внизу распределителя, и чтобы его снять, придется разобрать немало механизмов и мелких элементов.

Научитесь следить за простыми компонентами своего авто. Это поможет избежать неприятных сюрпризов на дороге. Будьте внимательны!

Датчик Холла

Принцип работы Анимация

от редакции

Датчик Холла представляет собой преобразователь, который изменяет свое выходное напряжение в ответ на магнитное поле. Датчики Холла используются для бесконтактного переключения, позиционирования, определения скорости и измерения тока.

Рис. Колесо с двумя магнитами, проходящее мимо датчика Холла

В своей простейшей форме датчик работает как аналоговый преобразователь, напрямую возвращая напряжение. При известном магнитном поле можно определить его расстояние от пластины Холла. Используя группы датчиков, можно определить относительное положение магнита.

Часто датчик Холла сочетается со схемой, которая позволяет устройству работать в цифровом режиме (вкл./выкл.), и в такой конфигурации может называться переключателем.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Зонд Холла содержит полупроводниковый кристалл соединения индия, такой как антимонид индия, установленный на алюминиевой опорной пластине и заключенный в головку зонда.

Когда датчик Холла удерживается так, что силовые линии магнитного поля проходят под прямым углом через датчик датчика, датчик выдает значение плотности магнитного потока (B). Через кристалл проходит ток, который при помещении в магнитное поле создает на нем напряжение «эффекта Холла». Эффект Холла наблюдается, когда проводник проходит через однородное магнитное поле. Возникающее напряжение эффекта Холла является признаком магнитного объекта, проходящего вокруг него. Следовательно, напряжение эффекта Холла является выходным сигналом и используется для обнаружения объекта рядом с ним.

Читайте также: Анимация бесконтактного переключателя

ПРЕИМУЩЕСТВА

Датчик Холла может работать как электронный переключатель.

• Такой переключатель стоит дешевле механического и намного надежнее.
• Может работать до 100 кГц.
• Отсутствие дребезга контактов, поскольку вместо механического контакта используется полупроводниковый переключатель с гистерезисом.
• На него не повлияют загрязнители окружающей среды, так как датчик находится в герметичной упаковке. Поэтому его можно использовать в тяжелых условиях.

В случае линейного датчика (для измерения напряженности магнитного поля) датчик Холла:

• может измерять широкий диапазон магнитных полей
• доступен для измерения магнитных полей северного или южного полюса
• могут быть плоскими

DISADVANTGAES

Датчики Холла обеспечивают гораздо более низкую точность измерения, чем феррозондовые магнитометры или датчики на основе магнитосопротивления. Более того, датчики на эффекте Холла значительно дрейфуют, что требует компенсации.

ПРИМЕНЕНИЕ

Определение положения

Определение наличия магнитных объектов (связанное с определением положения) является наиболее распространенным промышленным применением датчиков Холла, особенно работающих в режиме переключения (режим включения/выключения). Датчики Холла также используются в бесщеточном двигателе постоянного тока для определения положения ротора и переключения транзисторов в правильной последовательности.

Смартфоны используют датчики Холла, чтобы определить, закрыта ли откидная крышка.

Трансформаторы постоянного тока

Датчики Холла могут использоваться для бесконтактных измерений постоянного тока в трансформаторах тока. В этом случае датчик Холла устанавливается в зазор магнитопровода вокруг проводника с током. В результате можно измерить постоянный магнитный поток и рассчитать постоянный ток в проводнике. Эффект Холла также использовался для обнаружения постоянного тока в сверхпроводящем трансформаторе постоянного тока.

Автомобильный указатель уровня топлива

Датчик Холла используется в некоторых автомобильных указателях уровня топлива. Основным принципом работы такого индикатора является определение положения плавающего элемента. Это можно сделать либо с помощью вертикального поплавкового магнита, либо с помощью вращающегося рычажного датчика.

• В вертикальной поплавковой системе постоянный магнит устанавливается на поверхность плавающего объекта. Токопроводящая жила закреплена на верхней части бака на одной линии с магнитом. Когда уровень топлива повышается, на ток воздействует увеличивающееся магнитное поле, что приводит к более высокому напряжению Холла. По мере снижения уровня топлива напряжение Холла также будет уменьшаться. Уровень топлива указывается и отображается надлежащим состоянием сигнала напряжения Холла.
• В датчике с вращающимся рычагом диаметрально намагниченный кольцевой магнит вращается вокруг линейного датчика Холла. Датчик измеряет только перпендикулярную (вертикальную) составляющую поля. Измеряемая сила поля напрямую зависит от угла поворота рычага и, следовательно, от уровня топливного бака.

Будьте первыми, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.

Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.

Неверный адрес электронной почты

Категории Анимация, Как это работает, Переключатели

2022 © Воспроизведение без явного разрешения запрещено. — Курсы PLC SCADA — Сообщество инженеров

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 движущееся носители заряда и отталкивает их к одной стороне проводника. 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) 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 можно охарактеризовать двумя способами

1. Вольт на единицу магнитного поля, на единицу тока смещения: В/(В × I), В ⋅ Тл ⁻¹ ⋅ A ⁻¹
2. 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 сопротивление 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 помехи 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 рисунке 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

(c) — VHS с тремя ветвями для управления трехфазным бесщеточным микродвигателем.

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).

Чувствительность этого цилиндрического датчика Холла может достигать 2000 В ⋅ А ⁻¹ ⋅ Т ⁻¹ благодаря встроенным концентраторам магнитного потока. 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 интенсивности 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)
• Возможность обнаружения высокой скорости (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».

  Датчики Холла — работа, типы, применение, преимущества и недостатки

  Датчики Холла широко используются в различных областях. В этом посте мы обсудим, как они работают, их типы, области применения, преимущества и недостатки.

  Введение в датчик Холла

  Магнитные датчики представляют собой полупроводниковые устройства, которые генерируют электрические сигналы, пропорциональные приложенному к ним магнитному полю. Затем эти электрические сигналы обрабатываются специальной электронной схемой пользователя для получения желаемого результата.

  В наши дни эти магнитные датчики способны реагировать на широкий диапазон магнитных полей. Одним из таких магнитных датчиков является датчик Холла, выходной сигнал которого (напряжение) является функцией плотности магнитного поля.

  Для активации этих датчиков Холла используется внешнее магнитное поле. Когда плотность магнитного потока в непосредственной близости от датчика превышает определенный порог, это обнаруживается датчиком. При обнаружении датчик генерирует выходное напряжение, также известное как напряжение Холла.

  Рис. 1 – Датчики Холла

  Эти датчики Холла пользуются большим спросом и имеют очень широкое применение, например, датчики приближения, переключатели, датчики скорости вращения колес, датчики положения и т. д.

  Принцип работы датчика Холла

  Датчик Холла основан на принципе эффекта Холла. Этот принцип гласит, что когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение может быть измерено под прямым углом к ​​пути тока.

  Рис. 2 – Принцип эффекта Холла – ток, протекающий через пластину

  Как работает датчик Холла

  Работа датчика Холла описана ниже:

  • Когда через датчик протекает электрический ток, электроны движутся через него по прямой линии.
  • Когда на датчик воздействует внешнее магнитное поле, сила Лоренца отклоняет носители заряда по криволинейной траектории.
  • Из-за этого электроны с отрицательным зарядом будут отклоняться к одной стороне сенсора, а отверстия с положительным зарядом — к другой.

  Рис. 3 – Принцип эффекта Холла – отклонение электронов и дырок

  • Из-за этого скопления электронов и дырок на разных сторонах пластины можно наблюдать напряжение (разность потенциалов) между сторонами пластины. Полученное напряжение прямо пропорционально силе электрического тока и напряженности магнитного поля.

  Типы датчиков Холла

  Датчики Холла можно разделить на два типа по двум основаниям:

  • На основе выходного сигнала
  • На основе операции

  На основе выходного сигнала

  На основе выходного сигнала датчики Холла можно разделить на два типа: –

  • Датчики Холла с аналоговым выходом
  • Датчики Холла с цифровым выходом
  Аналоговый выход Холла Датчики эффекта

  Рис. 4 – Схема датчика Холла с аналоговым выходом

  Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выходной сигнал датчика такого типа имеет аналоговую природу и пропорционален напряженности магнитного поля и выходному сигналу элемента Холла.

  Эти датчики имеют непрерывный линейный выход. Благодаря этому свойству их целесообразно использовать в качестве датчиков приближения.

  Рис. 5 – Выход датчика Холла с аналоговым выходом

  Датчики Холла с цифровым выходом

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

  Рис. 6 – Схема датчика Холла с цифровым выходом

  Это «триггер Шмитта», который индуцирует эффект гистерезиса, поэтому достигаются два разных пороговых уровня. Соответственно, на выходе всей схемы будет либо Low, либо High. Датчик Холла

  является одним из таких датчиков. Эти цифровые выходные датчики широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах. 9Рис. 7. Выходной сигнал датчика Холла с цифровым выходом Датчик эффекта

• Униполярный датчик Холла

Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, для работы этих датчиков требуются как положительные, так и отрицательные магнитные поля. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса магнита используется для отключения датчика.

Рис. 8 – Биполярный датчик Холла

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, этим датчикам требуется только положительное магнитное поле южного полюса магнита, чтобы активировать, а также отключить датчик.

Рис. 9 – Униполярный датчик Холла

Применение датчика Холла

Применение датчиков Холла для простоты понимания представлено в двух категориях.

• Применение аналоговых датчиков Холла
• Применение цифровых датчиков Холла

Применение аналоговых датчиков Холла

Аналоговые датчики Холла используются для: Тестеры).

Определение скорости вращения колеса для антиблокировочной системы тормозов (ABS).

Устройства управления двигателем для защиты и индикации.

Определение наличия питания.

Датчик движения.

Определение скорости потока.

Измерение давления мембраны в манометре мембраны.

Обнаружение вибрации.

Обнаружение черных металлов в детекторах черных металлов.

Регулировка напряжения.

Применение цифровых датчиков Холла

Цифровые датчики Холла используются для:

• Определение углового положения коленчатого вала для угла зажигания свечей зажигания.
• Определение положения автомобильных сидений и ремней безопасности для управления подушками безопасности.
• Беспроводная связь.
• Измерение давления.
• Ощущение близости.
• Определение скорости потока.
• Определение положения клапанов.
• Определение положения объектива.

Преимущества датчиков Холла

Датчики Холла обладают следующими преимуществами:

• Их можно использовать для различных функций датчика, таких как определение положения, определение скорости, а также определение направления движения.
• Поскольку это полупроводниковые устройства, они абсолютно не изнашиваются из-за отсутствия движущихся частей.
• Практически не требуют обслуживания.
• Прочные.
• Невосприимчивы к вибрации, пыли и воде.

Недостатки датчиков Холла

Датчики Холла имеют следующие недостатки: –

• Они не способны измерять ток на расстоянии более 10 см. Единственным решением этой проблемы является использование очень сильного магнита, способного генерировать широкое магнитное поле.
• Точность измеренного значения всегда является проблемой, так как внешние магнитные поля могут повлиять на значения.
• Высокая температура влияет на сопротивление проводника. Это, в свою очередь, повлияет на подвижность носителей заряда и чувствительность датчиков Холла.

Управление большими электрическими нагрузками с помощью датчиков Холла

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

NPN-транзистор (токовой сток) в насыщенном состоянии функционирует как стоковой переключатель. Он замыкает выходную клемму на землю всякий раз, когда плотность потока превышает предустановленное значение «ON».