Датчик холла схема: ✅ Схема работы датчика холла

Содержание

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

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

   Датчик Холла предназначен для измерения скорости перемещения с целью измерения и индикации параметров работы исполнительных механизмов приборами систем автоматического управления. Информация, поступающая от датчика необходима для формирования управляющих сигналов в системах регулирования и стабилизации параметров перемещения механических узлов автоматизированного объекта. Потребует применения такого датчика контроль оборотов выходных валов редукторов, контроль направления вращения двух и более синхронизируемых механизмов, учет расхода жидкости. Датчик предназначен для применения в системах автоматизации поточных линий, транспортных системах и в других системах автоматического управления. Условное графическое обозначение:


   Широкое применение датчик Холла имеет в транспортных системах. Также Датчик Холла применяется для контроля положения узлов различных механизмов: перемещение деталей механизмов до концевых положений, построение энкодеров. Используется для измерения больших токов. Проводятся эксперименты по использованию датчика Холла в качестве чувствительного элемента магнитного компаса. Основу датчика составляет элемент Холла, соединенный с электрической схемой. Современный датчик Холла представляет собой микросхему, к которой подводится питание, а на выходе микросхемы формируется информационный сигнал. Принцип работы датчика Холла состоит в фиксировании магнитного поля. Для измерения скорости перемещения датчика Холла закрепляется на неподвижном элементе конструкции, а в движущейся части устанавливаются магниты. Применяют и более простое решение, намагничивают подвижные элементы не внося изменений в конструкцию механизма. Для измерения скорости вращения применяется пара постоянный магнит и датчик Холла. Между ними свободно перемещается пластина, экранирующая магнитное поле. При каждом обороте с выхода датчика Холла поступает электрический импульс в схему электронного тахометра. Для увеличения точности измерения устанавливают две и более пар магнит + датчик Холла. 


   Принцип работы датчика Холла позволяет создать регистрирующее устройство не имеющее механического контакта с подвижной частью контролируемого механизма, что позволяет многократно увеличить ресурс работы по сравнению с герконами или механическими переключателями, кнопками. На рисунке показан узел из бесконтактной системы зажигания автомобильной схемы, с использование датчика Холла. 


 1 – аккумулятор; 
 2 – замок зажигания; 
 3 – свечи зажигания; 
 4 – двухвыводная катушка зажигания; 
 5 – вольтметр; 
 6 – коммутатор; 
 7 – датчик Холла.

   Проверить датчик Холла можно по такой технологии. С выхода датчика снимается напряжение, если в его зазоре находится стальной экран. Если экрана в зазоре нет, то напряжение на выходе датчика близко к нулю. На снятом с двигателя датчике-распределителе зажигания датчик можно проверить по схеме, приведенной на рисунке ниже, при напряжении питания 8-14 В. Медленно вращая валик датчика-распределителя зажигания, измерьте вольтметром напряжение на выходе датчика. Оно должно резко меняться от минимального (не более 0,4 В) до максимального (не более, чем на 3 В меньше напряжения питания).


   Использование совместно с датчиком Холла постоянного магнита повышает надежность по сравнению с оптопарами, требующими источника света. Постоянный магнит “не погаснет”, а источник света требует подключения к питанию, постоянно потребляет ток. Обрыв питания источника света приведет к ложному сигналу с выхода оптопары, что не может произойти с датчиком Холла. Автор статьи – Сергей Куприянов.

   Форум по радиодеталям

Датчики Холла Si72xx компании Silicon Labs

Датчики Холла Si72xx компании Silicon Labs

Компания Silicon Labs выпускает три линейки интегральных датчиков магнитного поля на эффекте Холла серии Si72xx. Они предназначены для реализации разнообразных датчиков и детекторов положения и перемещения. В сравнении с аналогичными решениями других производителей датчики Si72xx выделяются минимальным энергопотреблением и высокой чувствительностью.

 

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Среди датчиков Si72xx есть как типовые микросхемы с базовыми функциями, так и решения с различными дополнительными модулями, среди которых

  • встроенный датчик температуры, схема термокомпенсации,
  • поддержка режима пониженного энергопотребления,
  • встроенный цифровой фильтр,
  • функция автокалибровки (self-test),
  • блок контроля вмешательства (tamper detection), детектирующий аномально высокое магнитное поле,
  • цифровой интерфейс I²C для чтения данных и настройки параметров датчика.

На данный момент датчики доступны в корпусах SOT23 с тремя или с пятью выводами. В ближайшем будущем будут выпущены модели в корпусах DFN-8 и TO-92.

 

Датчики серии SI72xx чувствительны к магнитному полю, приложенному перпендикулярно к плоскости корпуса. Допустимые варианты расположение датчика относительно магнитного поля приведены на рисунках. Для детекторов движения, угла поворота, для контроля магнитного поля в 3D пространстве используют два или три датчика.

 

 

 

Датчики Холла SI72xx представлены следующими типами:

  • Биполярная защелка с гистерезисом (Триггер, Latch)

     

     

  • Униполярный пороговый с гистерезисом и детектором вмешательства (Ключ, Unipolar Switch)

     

     

  • Омниполярный пороговый с гистерезисом и детектором вмешательства (Ключ, Omnipolar Swith)

     

     

  • Линейный с аналоговвым выходом
  • Линейный с ШИМ-выходом
  • Линейный с SENT-выходом

 

СЕРИЯ SI720X — ЦИФРОВЫЕ КЛЮЧИ И ТРИГГЕРЫ

Датчики Холла серии Si720x производят измерения в определенной частотой и формируют выходной сигнал согласно измеренному уровню магнитного поля в зависимости от запрограммированных порогов. Si720x имеют один либо два информационных выхода.

Датчики Si720x выпускаются как в 3-выводном, так и в 5-выводном корпусе. Трехвыводные датчики имеют линии питания, земли и линию выхода, в то время как для датчиков в 5-выводном корпусе доступны два дополнительных сигнала:

  • Первый дополнительный вывод служит для перевода микросхемы в режим сна (DIS)
  • Второй вывод служит для сигнала блока контроля вмешательства (TAMPERb) 

У 3-выводных датчиков Холла с поддержкой функции tamper detection при превышении порога детектора вмешательства на выходе выставляется «0».

Документация на серию доступна на сайте производителя.

 

Тип датчика Количество выводов

Выходной сигнал

Частота измерений Индукция срабатывания
Bop, индукция отпускания, Brp
Si7201-00 3

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход Push-pull

5 Гц Bop = ±1.1 мТ (max)
Brp = ±0.2 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7201-01
Si7201-02 Bop = ±0.9 мТ (max)
Brp = ±0.2 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.2 (typ)
Si7201-03 Bop = ±2.8 мТ (max)
Brp = ±1.1 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7201-04 1 Гц Bop = ±1.4 мТ (max)
Brp = ±0.2 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7201-05 5 Гц Bop = ±2.0 мТ (max) Brp = ±0.6 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7201-06

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход открытый коллектор

Si7201-07
Si7201-08 Bop = ±2.8 мТ (max)
Brp = ±1.1 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7202-00

Биполярная защелка с гистерезисом, выход Push-pull

Bop = +0.65 мТ (max) Bop = +0.15 мТ (min)
Brp = -0.65 мТ (max) Brp = -0.15 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.8 (typ)
Si7202-01 Bop = +1.4 мТ (max) Bop = +0.6 мТ (min)
Brp = -1.4 мТ (max) Brp = -0.6 мТ (min)
| Bop — Brp | = 2.0 (typ)
Si7203-00 5

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход открытый коллектор

1 кГц Bop = ±1.1 мТ (max)
Brp = ±0.2 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7204-00

Биполярная защелка с гистерезисом, выход Push-pull

Bop = +1.1 мТ (max) Bop = +0.6 мТ (min)
Brp = -1.1 мТ (max) Brp = -0.6 мТ (min)
| Bop — Brp | = 1.8 (typ)

 

 

Тип датчика Дополнительные функции Напряжение питания Потребляемый ток Рабочий
диапазон
температур
Блок tamper detection Схема температурной
компенсации
Встроенный
датчик
температуры
Поддержка
автокалибровки
Цифровой фильтр Режим
измерений
Режим сна
Si7201-00 нет нет нет нет нет 1.7 — 3.6 В

5 мА
@
Vdd = 3.3 В

  0 .. 70 °C
или
-40 .. 125 °C

 

Si7201-01 да, порог ±19.8 мТ
Si7201-02 да (0.12%/°C) да (FIR с выборкой 4)
Si7201-03 нет нет нет 1.7 — 5.5 В
Si7201-04
Si7201-05 да, порог ±19.8 мТ
Si7201-06 нет
Si7201-07 да, порог ±19.8 мТ
Si7201-08 нет
Si7202-00 1.7 — 3.6 В
Si7202-01 1.7 — 5.5 В
Si7203-00 да, порог ±19.8 мТ 1.7 — 3.6 В

от 50 нА

Si7204-00 нет

 


СЕРИЯ SI721X — ДАТЧИКИ ХОЛЛА С ЛИНЕЙНЫМ ВЫХОДОМ

Датчики серии Si721x работают на фиксированной частоте и имеют один выход. Доступно три типа выходного сигнала:

  • аналоговый
  • ШИМ-сигнал
  • однопроводной протокол SENT

Датчики Si721x выпускаются как в 3-выводном, так и в 5-выводном корпусе. Трехвыводные датчики имеют линии питания, земли и линию выхода, в то время как для датчиков в 5-выводном корпусе доступны два дополнительных сигнала:

  • Первый дополнительный вывод служит для перевода микросхемы в режим сна (DIS)
  • Второй вывод служит для запуска функции автокалибровки (BIST)

Документация на серию доступна на сайте производителя.

 

Тип датчика Количество выводов Выходной сигнал Частота измерений Индукция срабатывания Bop,
индукция отпускания, Brp 
Si7211-01 3 Аналоговый 7 кГц  
Si7212-00 выход Push-pull, ШИМ-сигнал 300 Гц
Si7213-00 выход открытый коллектор, SENT-сигнал * 1 кГц
Si7217-01 5 7 кГц

 

* SENT (Single Edge Nibble Transmission) — это однонаправленный асинхронный протокол, распространенный в автомобильной промышленности. Описание стандартна доступно в документации на Si721x, а также на сайте standards.sae.org.

 

Тип датчика Дополнительные функции Напряжение питания Потребляемый ток Рабочий диапазон температур
Блок tamper detection Схема
температурной
компенсации
Встроенный
датчик
температуры
Поддержка
автокалибровки
Цифровой
фильтр
Режим
измерений
@ Vdd = 3.3 В
Режим
сна
Si7211-01 нет нет нет нет да (FIR с выборкой 16) 2.25 — 5.5 В 5.5 мА   -40 .. 125 °C
Si7212-00 1.7 — 5.5 В 5.0 мА
Si7213-00 да, через установку «0» на линии выходного сигнала
Si7217-01 да, через отдельный вывод 2.25 — 5.5 В 7.0 мА

 

 

СЕРИЯ SI7210 С ПОДДЕРЖКОЙ I2C И ВСТРОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ

По сравнению с другими датчиками Холла Silicon Labs, датчики серии Si7210 имеют наиболее широкий набор функций.

Микросхемы данной серии оснащены цифровым интерфейсом I²C, который используется как для чтения данных, так и для изменения конфигурации датчика. На шине I²C также доступен сигнал с датчика температуры.

 

Датчики Si7210 выпускаются только в 5-выводном корпусе. Помимо линии питания, земли и двух линий шины I²C эти микросхемы дополнительную линию. Дополнительный вывод может использоваться как аналоговый выход или как цифровой выход, который можно использовать как сигнал прерывания для управляющего микроконтроллера.

 

 

Настройка датчика Si7210 по интерфейсу I²C позволяет

  • изменять границы диапазона измерений
  • изменять режим работы и состояние дополнительного выхода
  • настраивать длительность режима сна (позволяет снизить энергопотребление до 50 нА в зависимости от температуры)
  • настраивать порог срабатывания блока контроля вмешательства (tamper detection)
  • включать цифровой фильтр для подавления шумов на выходе, выбирать тип фильтра (FIR или IIR) и размер выборки (от 2 до 212)
  • настраивать частоту измерений 
  • настраивать параметры схемы температурной компенсации
  • включать встроенную на чип катушку, которая создаёт магнитное поле достаточной силы для выполнения калибровки (self-test) датчика * 

* Калибровочные параметры могут быть запрограммированы во встроенную энергонезависимую память датчика

 

Документация на серию доступна на сайте производителя.

 

Тип датчика Количество выводов Выходной сигнал Частота измерений Индукция срабатывания Bop,
индукция отпускания, Brp 
Основной выход Дополнительный выход
Режим работы Доп. выход в режимах 2, 3, 4
Si7210-00 5 I²C

Режим выбирается через I²C:

  1. Аналоговый выход
  2. Биполярная защелка с гистерезисом
  3. Униполярный пороговый с гистерезисом 
  4. Омниполярный пороговый с гистерезисом
выход Push-pull Настраивается через I²C Bop = ±1.1 мТ (max)
Brp = ±0.2 мТ (min)
| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7210-01 выход открытый коллектор
Si7210-02 выход Push-pull
Si7210-03
Si7210-04
Si7210-05

 

 

Тип датчика Дополнительные функции Напряжение питания

Потребляемый ток

Рабочий диапазон температур
Блок tamper detection Схема температурной компенсации Встроенный датчик температуры Поддержка автокалибровки Цифровой фильтр Режим
измерений
Режим
сна
Si7210-00 да, порог настраивается через I²C да да, доступен на I²C
Точность ±1.0 °C
да да (FIR или IIR)
Тип и выборка настраивается через I²C
1.7 — 5.5 В 5.0 мА
@
3.3 В
от 50 нА -40 .. 125 °C
Si7210-01
Si7210-02 да, доступен на I²C
Точность ±4.0 °C
Si7210-03 нет
Si7210-04
Si7210-05

 

 

СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ АРТИКУЛА

Полный артикул датчика кодируется следующим образом:

Тип датчика (см. таблицы выше)
  Ревизия микросхемы:
• AB и т.д.
    Тип датчика (см. таблицы выше)
      Рабочий диапазон температур:
• —  от -40 до +125°C
• —  от 0 до +70°C
        Корпус:
• — TO92
• — DFN8
• — SOT23
          Упаковка:
• — стандартная
• — лента
Si7210 -B- 00 -I V -R

 

Так, например, датчик типа Si7210-00 в корпусе SOT23 и с рабочим диапазоном температур -40 до +125°C будет иметь код для заказа Si7210-B-00-IV-R.

 

 

СРЕДСТВА ОТЛАДКИ

Для знакомства с датчиками Холла серии Si72xx и для разработки приложений на базе этих датчиков предлагается набор Si72xx-WD-Kit.

В набор входят следующие компоненты:

  • Отладочная плата для микроконтроллеров EFM32 Happy Gecko с предустановленными демо-программами
  • Плата-расширение Wheel Demo EXP board, на которой установлено колесо прокрутки и два датчика Холла под углом 90 градусов друг к другу
  • 6 дочерних плат с датчиками Si72xx разных типов
  • 2 магнита
  • USB-кабель
  • кабели для подключения дочерних плат

 

Наличие на складе

Схема работы датчика холла

Импульсный преобразователь скорости и направления вращения преобразует величины скорость и направление вращения деталей механизма в общий электрический сигнал для последующей передачи, измерения и отображения параметров работы. Системы автоматики могут применять преобразователь для включения в петлю обратной связи. Информация, следующая от датчика, требуется для формирования сигналов в системах регулировки и стабилизации параметров перемещения различных механических узлов объекта. Применения такого преобразователя требует осуществлять контроль оборотов выходных валов редукторов, определение направления вращения от двух и выше механизмов, учет расхода жидкости и многие подобные приборы. Информация с преобразователя передается по трем проводам, с помощью которых поступает питание и идет сигнал частоты и направления вращения в фиксирующий прибор системы автоматического контроля и управления. Преобразователь может использоваться в системах автоматизации, транспортных системах и т.п.

В основе работы схемы лежит преобразование перемещения в сигнал которое выполняет микросхема с эффектом Холла SS526DT. Микросборка содержит два полупроводниковых элемента, генерирующих разность потенциалов при попадании в магнитное поле. Она позволяет вычислить скорость и направление вращения. Информация идет в схему датчика с двух выходов микросборки в цифровом виде: скорость движения соответствует частоте следования импульсов с выхода Speed, направлению соответствует логический уровень сигнала на выходе Direction.

Упрощенная конструкция датчика скорости и направления вращения.

Вращательное перемещение воспринимает вал преобразователя через зафиксированную на нем шестеренку. На валу имеется диск, в котором имеются постоянные магниты. Установлены магниты так, что их полюса чередуются для правильной работы микросборки SS526DT. Чем больше магнитов на диске, тем лучше дискретность и, поэтому, увеличивается возможность регистрации низкоскоростных перемещений. SS526DT монтируется на печатной плате, соединенной проводами с основной схемой преобразователя, элементы которой размещены на второй печатной плате.

С выхода направления следует сигнал, передающий данные о скорости оборотов за счет частоты импульсов, а данные о направлении вращения передается с помощью полярности импульсов.

Т.к в схеме имеется источника двуполярного напряжения питания выходной сигнал размахом пять вольт может иметь как отрицательную, так и положительную полярность.

Схема преобразует сигнал идущий от датчика Холла в выходной сигнал датчика скорости и направления вращения, обеспечивает нормальную нагрузочную способность по току. Для снижения вероятных помех, оказывающих воздействие на кабель импульсного датчика, сопротивление приёмника сигнала должно быть достаточно низким. Питание преобразователя осуществляется по двум проводам. Третий применяется для передачи информационного сигнала, полярность которого меняется относительно общего провода питания. Датчик Холла генерирует сигнал, передающий информацию о направлении вращения, упровляющий переключателем К1. В зависимости от уровня сигнала К1 подает К2 положительный или отрицательный уровень напряжение. Сигнал скорости управляет переключателем К2. Частота сигнала скорость, формируется К2, соответствует половине магнитов, расположенных на диске датчика.

Логические элементы усиливают сигнал направление, идущий от датчика Холла. Другие элементы управляют светодиодами оптронов, один из которых срабатывает на замыкание, а другой на размыкание. При нулевом логическом уровне сигнала Направление светодиоды оптронов не горят. Поэтому замкнуты контакты оптрона на размыкание, на контакты оптрона сигнала Скорость поступает + 5 вольт от встроенного двухполярного ИБП. При логической единице сигнал Направление через светодиоды оптронов заставляет срабатывать соответствующие цепи, выходной оптрон подключается к -5 вольт. Сигнал Скорость через усиливающий элемент следует на управление выходным оптроном. Под действием сигнала скорость с выхода преобразователя следуют импульсы, полярность которых задается сигналом Направление. Использование оптрона на выходе преобразователя дает возможность увеличить нагрузочную способность, что позволяет передавать сигнал с большим током для повышения уровня помехоустойчивости.

Для увеличения уровня помехозащищенности параллельно светодиодам рекомендуется подсоединить резисторы, увеличивающие ток, идущий по проводу “Скорость/направление”.

Сигнал Направление идет с выхода D микросборки с эффектом Холла, DA2. Единичный логический уровень Направление преобразуется инвертором DD1, в низкий на выводе 12. Светодиод VK1.2 пработает при появлении единичного логического уровня на десятом выводе DD1. Одновременно с этим блокируется работа светодиода оптрона VK1.1, так как на анод светодиода поступает напряжение нулевого логического уровня. Благодаря соединению светодиодов оптронов с логическим элементом сигнал Направление устанавливает, через какой из оптронов будет идти сигнал, с вывода 10 DD1. Сигнал скорости оборотов следует с выхода S DA2 на вход инвертора DD1. Высокий уровень импульсов, идет с вывода 10 микросхемы DD1, заставляет течь ток через сопротивление R4 и светодиод VK1.2. Функции оптронов разделяются: оптрон VK1.1 генерирует сигнал положительной полярности на третьем контакте клеммы XT1, VK1.2 – отрицательной. В схему преобразователя входит источник питания, преобразующий однополярное напряжение питания в двухполярное питание. Емкостисглаживают помехи, снижая их влияние на формирование выходного сигнала. Сопротивления R1, R2 задают выходной ток импульсного датчика. Их номинал можно перераспределить в зависимости от входной цепи приёмника для их согласования. Схема использует один сдвоенный оптрон VK1, что экономит площадь печатной платы и сформировать сигналы Скорость и Направление вращения, используя один радиоэлемент.

На примере датчика Холла, применяемого в бесконтактной системе зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099.

Датчик Холла предназначен для определения момента искрообразования в бесконтактной системе зажигания (БСЖ) автомобиля.

Принцип действия датчика Холла

Принцип действия датчика основан на эффекте Холла, когда магнитное поле проводника изменяется при прохождении в нем специального экрана с прорезями.

На практике это выглядит так: датчик Холла автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 установлен на опорной пластине трамблера и состоит из двух частей – магнита и элемента Холла с усилителем. На датчик Холла подается напряжение с коммутатора (вывод 5) через токовый красный провод. «Масса» так же с коммутатора – бело-черный провод с вывода 3. Магнит создает магнитное поле, элемент Холла принимает его, создает напряжение, которое усиливает усилитель и через зеленый импульсный провод напряжение подается на коммутатор (вывод 6).

Для изменения магнитного поля применяется экран с четырьмя прорезями, который вращается вместе с валом распределителя зажигания (трамблера) проходя между магнитом и принимающей частью датчика Холла. При прохождении в пазу датчика прорези экрана магнитное поле имеет определенную величину и соответственно датчик выдает на коммутатор электрический ток определенного напряжения (9-12 В). При прохождении в пазу датчика зубца экрана магнитное поле экранируется и не поступает на приемник датчика, при этом напряжение, поступающее на коммутатор, падает (0-0,5 В).

Соответственно коммутатор прерывает электрический ток, подающийся на катушку зажигания, магнитное поле в ней резко сжимается и, пересекая витки обмотки, производит ЭДС 22-25 кВ (ток высокого напряжения). Ток через бронепровода попадает на распределитель трамблера и далее на свечи зажигания, производя разряд, поджигающий топливную смесь. Прохождение каждого из четырех зубцов экрана в прорези датчика соответствует такту сжатия в одном из четырех цилиндров двигателя.

Примечания и дополнения

— На эффекте Холла основан принцип действия еще нескольких автомобильных датчиков, например, датчика скорости инжекторных ВАЗ 21083, 21093, 21099.

Еще статьи по датчикам автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

В системах и устройствах каждого автомобиля есть масса приборов, которые несут только функцию информирования о том или ином процессе. На основе информации, которые эти устройства предоставляют, высшие по иерархии системы принимают решения о том или действии. Эти шпионы называются датчиками и собирают информацию о работе деталей и узлов, а после передают ее водителю. На современных автомобилях водитель избавлен от принятия большинства решений, поэтому всю работу делают за него электронные системы. Бесконтактная система зажигания и датчик Хoлла — яркий тому пример.

Содержание:

Датчик Холла, что это такое

Все автомобильные датчики классифицируются по параметру, который они определяют. Это может быть датчик температуры, датчик массового расхода воздуха, датчик движения или датчик положения. Датчик на эффекте Холла как раз применяется для того, чтобы определять положение коленчатого или распределительного вала.

Вкратце разберемся с этим эффектом, тогда станет понятнее, что представляет собой это устройство. Гальваномагнитное явление было открыто в 1879 году Эдвином Холлом, а суть этого открытия в том, что при установке проводника с постоянным потенциалом в магнитное поле, появляется разность потенциалов, то есть электрический импульс. На основе этого являения работает не только часть системы зажигания автомобиля, но и ионные ракетные двигатели, приборы, которые измеряют напряженность магнитного поля, и даже во многих мобильных устройствах в виде основы для работы электронного компаса.

Применение датчика в автомобиле

Холловское напряжение давно применяется в машиностроении и конструкции серводвигателей. Он идеально подходит для того, чтобы определять углы положения валов, а на машинах архаичной конструкции, датчик применялся для определения момента возникновения искры. Схема датчика проста и мы ее помещаем ниже.

Суть работы устройства в том, что когда подают ток на две клеммы участка полупроводникового материала (на чертеже — клеммы «а») и помещают его в магнитное поле, на двух других клеммах возникает импульсное напряжение, а оно может восприниматься устройством-приемником, как сигнал к определенным действиям.

Автомобильный датчик Холла принцип работы которого показан на схеме ниже, но буквально ее воспринимать было бы ошибкой. Дело в том, что современные датчики Холла представляют собой все элементы начерченного датчика в одном крошечном корпусе. Это стало возможным тогда, когда появились миниатюрные полупроводниковые приборы.

Преимущества автомобильного датчика Холла

Микроэлектроника позволила добиться от устройства очень маленьких размеров, при этом, сохранив полную функциональность. Основные преимущества устройства современного датчика Холла в следующем:

  • компактность;
  • возможность разместить в любой точке двигателя или любого другого механизма;
  • стабильность работы, то есть при любых оборотах вала, датчик будет корректно реагировать на его вращение;
  • стабильность не только в работе, но и стабильность характеристики сигнала.

Наряду с бесспорными достоинствами и функциональностью устройства, оно имеет некоторые проблемы:

  1. Помехи — главный враг любого электромагнитного устройства. А помех в электрической цепи автомобиля более, чем достаточно.
  2. Цена. Датчик, основанный на эффекте Холла дороже обычного магнитоэлектрического датчика.
  3. Работоспособность датчика Холла сильно зависит от электронной схемы.
  4. Микросхемы могут иметь нестабильные характеристики, что может повлиять на корректность показаний.

Зажигание с датчиком Холла

Теперь попробуем применить датчик на практике, а, точнее, интегрировать его в систему зажигания. А установим мы его в прямо в трамблер для того, чтобы руководить процессом искрообразования в бесконтактной системе. Схема установки датчика Холла показана на рисунке. Он установлен возле вала прерывателя-распределителя, на котором установлена магнитопроводящая пластина. Пластина-ротор имеет столько вращающихся сердечников, сколько цилиндров у двигателя.

Поэтому при прохождении пластины ротора возле датчика с поданным на него напряжением, возникает эффект Холла, с выводов датчика снимается импульс и подается на коммутатор, а оттуда на катушку зажигания. Она преобразует слабый импульс в высоковольтный и передает его по высоковольтному проводу на свечу зажигания.

Подключение и проверка датчика Холла

Подключить любой датчик Холла довольно просто, поскольку он имеет всего три вывода, один из которых минусовой и идет на массу, второй — питание, третий — сигнальный, с него и поступает импульс на коммутатор. Проверить, работает ли датчик довольно просто. Если автомобиль подает признаки неисправности системы зажигания, которые выражаются в плохом пуске или нестабильности работы, первое, что нужно проверить — именно этот датчик.

Для этого не нужно никаких сложных осциллографов, хотя по науке ДХ проверяют именно при помощи осциллографа. Для проверки работоспособности устройства, достаточно просто закоротить 3-й и 6-й вывод на колодке трамблёра. При включенном зажигании закороченные выводы приведут к образованию искры, что говорит о том, что датчик свое отжил.

Замена датчика — занятие на 10 минут, но чтобы не покупать новый, лучше проверить установленный, вполне возможно, что зажигание работает некорректно по другой причине. Таким образом, можно обнаружить поломку, сэкономить время и не покупать лишние детали. Следите за простейшими приборами, и неприятные сюрпризы будут обходить автомобиль стороной. Плотной всем искры и удачи в дороге!

Интегральные датчики Холла — статья Георгия Волович. Интегральные датчики магнитного поля. Принцип действия датчика Холла, схемы, формулы, иллюстрации.

Интегральные датчики Холла — продолжение публикации. Рассмотрены типы датчиков — линейные датчики, логические датчики. Отрасли применения таких датчиков и фирмы производители.

Интегральные датчики Холла

Рис.3 Схема ИМС линейного датчика Холла (а) и график его характеристики преобразования (б)

Датчики Холла являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Интегральные датчики Холла производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices и др. Первая группа интегральных датчиков Холла – это линейные устройства, применяющиеся в измерителях напряжённости магнитного поля. Как правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель (рис. 3). Современные технологии позволяют ввести в состав ИМС датчиков магнитного поля сложные цифровые системы обработки информации. Примером такой ИМС может служить HAL805 фирмы Micronas Intermetall, содержащий на кристалле в трёхвыводном корпусе ТО92 АЦП, ЦАП, ЦПС и энергонезависимую память.

Рис.4 Логический датчик Холла

Такая структура позволяет программировать чувствительность и смещение датчика, осуществлять фильтрацию помех и механических возмущений. Вторая группа включает в себя микросхемы компараторного типа с логическими уровнями напряжения на выходе. Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом (рис. 4а) делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния (см. рис. 4б). Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включённое состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком (см. рис. 4в). Наличие ступени гистерезиса, которая является разностью между величинами магнитного поля в точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства. Логический двухвыводной датчик Холла HAL556 производит фирма Micronas Intermetall. Эта микросхема (рис. 5) потребляет большой ток при приближении положительного полюса магнита к маркированной стороне корпуса и малый ток при удалении. HAL566 реализует обратные функции. Микросхемы имеют встроенную систему, увеличивающую напряжение, приложенное непосредственно к кристаллу датчика Холла, с тем чтобы сделать возможным применение недорогих постоянных магнитов, имеющих сравнительно малую коэрцитивную силу.


Рис.5 Двухвыводный логический датчик HAL556 обеспечивает изменение
протекающего через него тока при изменении уровня магнитного поля

…дальше

Принцип действия датчика Холла
Интегральные датчики Холла
Применение датчиков Холла
Основные характеристики датчиков Холла

принцип работы, применение, проверка мультиметром

Датчики, иное название сенсоры, служат для регистрирования изменения различных физических величин и передачи полученной информации обрабатывающим устройствам. Если к проводнику подвести постоянный заряд и поместить его в магнитное поле, то возникнет разность потенциалов. Этот эффект был обнаружен в 1897 году учёным Эдвином Холлом. Основываясь, на этом эффекте был создан датчик, названный в честь изобретателя датчиком Холла.

Принцип работы прибора

Это устройство, регистрирующее напряжённость магнитного потока. Фактически это сенсор наличия магнитного поля. Датчики выпускаются как цифрового, так и аналогового типа. Первый тип основан на измерении индукции поля и формирования соответствующего напряжения, а второй тип реагирует на изменение полярности магнитного потока.

Принцип действия датчика Холла построен на гальваномагнитном явлении. Это явление представляет собой результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником, который подключён к электрической энергии, и при этом изменяются его электрические свойства. Эффект Холла проявляется, если в полупроводнике, расположенном в магнитном потоке, при протекании по нему тока образуется поперечное напряжение. При этом направление заряда перпендикулярно вектору направления поля. Возникающее явление объясняется тем, что на подвижные электроны или дырки в магнитном потоке воздействует сила Лоренца, приводящая к их отклонению.

В простом примере эффект Холла представляется в следующем виде. В полупроводнике под влиянием силы Лоренца носители заряда перемещаются в разные стороны, соответствующие своему знаку. На одной стороне полупроводника скапливаются электроны, отрицательный заряд, а на другой откуда переместились электроны — положительный заряд. Между этими сторонами из-за разности зарядов образуется электрический поток, который препятствует перемещению зарядов под влиянием силы Лоренца. Когда наступает момент равенства сил Лоренца и магнитного поля, полупроводник переходит в состояние равновесия.

По своему виду датчики могут выпускаться с разным числом контактных выводов и бывают:

  • двухконтактные;
  • трёхконтактные.

Так как уровень сигнала на выходах сенсора низкий, к его выходам подключается операционный усилитель. При добавлении триггера получается простое устройство, срабатывающее при определённом значении магнитного поля и вида проводимости. В цифровой электронике датчики, дополняющиеся логическими элементами, разделяются на три группы:

  1. Униполярные. Прибор регистрирует только изменение одной величины носителей заряда, дырочной или электронной проводимости.
  2. Биполярные. Сенсор реагирует на оба вида носителей заряда, но выполняет по отношению к ним противоположные действия. Например, при регистрации электронной проводимости подключённый к нему прибор начинает работать, а при регистрации дырочной проводимости отключается.
  3. Однополярные. Регистрируют просто появление проводимости и не зависят от её типа.

Датчик, использующий три вывода, в своём корпусе содержит транзистор с открытым коллектором, так как ток прибора малый с ним применяется в паре усилитель сигнала.

Применение эффекта Холла

Существует линейная зависимость между возникающей разностью потенциалов и магнитной индукцией, приводящей к её появлению. На этом и построены устройства с датчиком Холла, измеряющие магнитную индукцию.

Приборы, использующие в работе преобразователи Холла, применяются для проведения всевозможных измерений. Используя явление, при котором магнитное поле появляется под воздействием электрического тока, индукция магнитной силы соотносится с ним, и создаются бесконтактные измерители силы тока. Такой прибор выгоден при вычислении величин больших постоянных токов в проводах, которые при измерении обычным амперметром пришлось бы разрывать. Кроме этого, широкое применение получили приборы с сенсорами Холла для измерения электрической мощности, фиксирования линейных и угловых перемещений, плотности носителей заряда в полупроводнике.

Главным параметром прибора, построенным на эффекте Холла, является магнитная чувствительность. Она характеризуется соотношением появляющегося напряжения к значению магнитной индукции, то есть напряжением, при индукции равным единице.

Особое применение сенсоры получили в электродвигателях. В них датчики располагают таким образом, что устанавливаясь на статоре, отслеживают положение ротора. Установив магнит постоянного поля, получается счётчик оборотов. Величина магнитного поля, обеспечивающая срабатывание датчика, находится в пределах 150 Гауссов.

Использование в автомобилях

В машине датчик применяется в системе зажигания. Без его участия правильная работа мотора в автомобиле невозможна. Располагается он на трамблере и определяет момент появления искры, заменяя собой контактор. Здесь может использоваться как биполярный, так и униполярный вид сенсора.

Проводя измерения количества возникающих импульсов, сенсор сообщает блоку электроники информацию о необходимости создания искры. В состав прибора входят: постоянный магнит, металлический экран с отверстиями, полупроводниковая пластина. Схема работы основывается на том, что через устроенные отверстия в полупроводник проникает магнитный поток, в результате чего появляется разность потенциалов. Когда прорези закрыты экраном, поток не проходит, и напряжение не возникает. Таки образом, открывая и закрывая прорези экраном, создаётся импульсный сигнал на выходе устройства.

Датчик содержит три вывода, согласно его распиновке слева направо:

  • первый подключается к корпусу автомобиля;
  • на второй подводится напряжение равное шести вольтам;
  • третий используется как информационный.

Кроме этого, датчик используется для контроля токовой перегрузки. При появлении перегрузки происходит нагрев сенсора и срабатывание температурной защиты.

Из-за нарушений, возникающих в работе сенсора, возникают различные неисправности, что сказывается на запуске двигателя, появления рывков при работе, или просто его остановки. Проверить работоспособность датчика в автомобиле проще всего вращением коленчатого и распределительного вала. При нормальной работе светодиод, расположенный на контрольной панели, должен мигать.

При отсутствии бортового светодиода возможно выполнить приспособление самостоятельно. Для этого понадобится резистор на один килоом, светодиод и провода. Резистор последовательно соединяется со светодиодом, и от конструкции делаются отводы на проводах. Трамблер отключается и проводится подключение проводов от светодиода и резистора, после чего проворачивается распределительный вал. В результате светодиод должен мигнуть.

Для получения точных результатов лучше провести проверку датчика холла мультиметром. Потребуется любой тестер с возможностью измерения напряжения. При рабочем датчике напряжение на его выводах составит до 11 вольт. Сначала измеряется присутствие необходимых напряжений на контактной колодке трамблера. Обычно присутствуют три напряжения, равные 12 вольтам, и на одном контакте напряжение должно отсутствовать.

Включается зажигание. Положительный щуп устанавливается на выход клеммы датчика, а минусовой на провод с нулевым значением напряжения. Величина напряжения составляет около 11 вольт. При провороте коленвала напряжение должно изменяться, при этом наибольшее значение не должно опускаться ниже девяти вольт, а наименьшее быть не более 0,5 В.

Преобразователь Холла в смартфоне

Имея небольшие размеры, сенсоры Холла нашли своё применение и в электронных гаджетах. Используя его свойства в смартфонах, улучшается позиционирование, быстрее происходит запуск GPS поиска, увеличивается срок службы в автономном режиме. Применяя способность сенсора реагировать на магнитное поле, преобразователь используется также в телефонах вида «раскладушка» и ноутбуках. Месторасположение датчик занимает на лицевой стороне устройства, что увеличивает его реакцию на изменение магнитного поля.

Из-за присутствия датчика происходит автоматическое включение экрана ноутбука при его открытии или выключение при закрытии. Также и с телефоном — «раскладушкой». В смартфонах такая функция реализуется с применением чехла книжки. Датчик регистрирует величину магнитного поля, исходящего от миниатюрного магнита, вмонтированного в середину чехла. При открытии чехла, сила действия магнитного потока ослабевает, и устройство включает подсветку экрана.

Важно отметить, что использование магнита не оказывает никакого негативного влияния на гаджет, а сам датчик Холла в принципе работы применяет регистрацию магнитного потока. Он регистрирует силу магнитного поля, а не сравнивает его напряжённость. Преобразователь Холла в мобильных устройствах также имеет следующий функции:

  • помогает в ориентирование по горизонту земли;
  • обеспечивает работу компаса устройства;
  • включает и отключает экран при совместном использовании с магнитом.

Ориентирование экрана — это функция, используемая в любом современном телефоне. При разном положении гаджета в пространстве изображение на экране всегда будет правильным, а не перевёрнутым. Такую функцию можно и отключить, для этого в настройках смартфона выбирается последовательно: настройки, экран блокировки, расширенные возможности, режим смарта. Если в настройках пункта нет, придётся выпаять преобразователь из схемы.

Кроме этого, специальная микросхема, получая сигнал от преобразователя Холла, приводит к коррекции изображения. Это проявляется при фотографировании или при смене времени суток. Участвуя в работе GPS навигации, устройство помогает увеличить точность позиционирования.

Чтобы знать, как проверить датчик Холла в телефоне, особых умений не понадобится. Для этого нужно поднести любой магнит к корпусу или экрану устройства. При его работоспособности экран погаснет, если магнит убрать — загорится.

Устройство в бытовой технике

Очень часто в бытовой технике, использующей мотор (например, стиральная машинка) для подсчёта количества оборотов стоит сенсор Холла. Он имеет вид кольца с двумя проводами и крепится к ротору электродвигателя. Его работа устроена следующим образом: за счёт вращения вала на сенсор поступает напряжение, сила которого зависит от скорости вращения ротора. Чем обороты больше, тем больше и разность потенциалов. Электронный узел анализирует величину напряжения и выставляет требуемую скорость вращения.

Чтобы проверить преобразователь, потребуется взять мультиметр и прозвонить сопротивление сенсора. Нормальная величина рабочего прибора составляет около 60 Ом. Если мультиметра нет, можно взять простой вольтметр и измерить напряжение на том месте, где подключается сам датчик.

Схема для практического повторения

Несложная схема с применением датчика Холла, применяемая для регистрации открытия двери, не представляет сложности для самостоятельной сборки. Достоинство использования сенсора в том, что его работе не требуется механический контакт, как, например, геркону. Датчик размещается на дверной коробке, а магнит на двери. В основе схемы используется датчик MH 183 и микросхема CD 4093. За питание отвечает источник напряжения на девять вольт.

При воздействии магнитного потока транзисторный ключ находится в активном состоянии. Сигнал с сенсора поступает на вход микросхемы и запрещает работу её генератора. Светодиод LED1 горит. Если дверь открывается, магнитная сила, воздействующая на датчик, ослабевает или пропадает, а в микросхеме запускается генератор и светодиод гаснет. Резистор R1 предназначен для защиты преобразователя Холла от обратного пробоя напряжения. Датчик Холла нашел свое применение во многих областях и является незаменимым помощником для человека в быту. Именно благодаря ему существуют так называемые «умные» устройства.

работа датчик холла,проверка датчик холла

просмотров 22 505 Google+

В автомобилях широко используется датчик Холла. Это магнитоэлектрические датчики на основе эффекта Холла. Этот эффект получил название по имени его открывателя Э. Холла, открывшего гальвомагнитное явление 1879 году. В те же годы получили широкое применение основанные на этом клавишные включатели, обладающие высокой надёжностью и долговечностью.

Эффект Холла.

Эффект Холла основан на проводимости полупроводника в магнитном потоке. Если через полупроводник пропустить электрический ток, а затем его поместить в магнитное поле, то в нём появится поперечная разность потенциалов, значение которого на 3В меньше чем напряжение питания.

Рассмотрим прохождение тока по полупроводниковой пластине размером 5*5 мм. Если через две параллельные стороны пропустить напряжение и поднести к ней постоянный магнит, то на двух других параллельных сторонах появится ЭДС Холла. Если к этим сторонам подключит провода, то получится генератор Холла.

Датчик Холла имеет щелевую П-образную конструкцию. С одной стороны располагается полупроводниковая пластина, а с другой постоянный магнит. В щели между ними вращается стальной экран с окнами. При прохождении окна экрана в прорези, он пропускает магнитный поток постоянного магнита к полупроводнику. В результате на полупроводник, по которому протекает ток, воздействует магнитное поле и на его сигнальном выводе появляется ЭДС. При прохождении глухой части экрана магнитный поток шунтируется и на сигнальном выводе пропадает напряжение.

Датчик Холла проверка.

Для проверки работоспособности датчик Холла можно использовать осциллограф, вольтметр или специальный индикатор. Проверка осциллографом показывает самую полную картину работы датчика. Подключаем к выводу 1 и 3 источник питания, к выводу 1 и 2 щупы осциллографа, а между выводами 2 и 3 резистор 10кОм и вращаем вал датчика (вал трамблёра, датчика скорости и т. д.) при помощи электродвигателя. При этом на осциллографе будем наблюдать осциллограмму импульсов, такую же, как на рисунке.
При проверке вольтметром, подключаем последний одним щупом к минусу источника питания, а второй к среднему выводу и после подачи питания на датчик начинаем тихонько рукой вращать вал. При этом вольтметр должен показывать минимальное напряжение не выше 0,4В, а верхнее не меньше напряжения питания минус 3В. Лучше всего при проверке использовать цифровой мультиметр, так как он имеет высокое внутреннее сопротивление и достаточно большую точность измерений.

При использовании стрелочных вольтметров необходимо проверит его сопротивление, которое не должно быть меньше 10кОм. При меньшем сопротивлении есть вероятность повреждение датчика.
При отсутствии вышеуказанных приборов можно собрать индикаторный пробник. Для его сборки можно использовать схему приведённую выше или другую. Применение контрольной лампы для проверки датчик Холла не допустимо, так как она имеет малое сопротивление, что может привести к повреждению датчика. Надо учитывать, что индикатор не даёт полной картины работы датчика и по его показаниям можно только приблизительно судить о его работоспособности.

admin 16/01/2012«Если Вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста выделите это место мышкой и нажмите CTRL+ENTER» «Если статья была Вам полезна, поделитесь ссылкой на неё в соцсетях»

Линейный датчик на эффекте Холла — рабочая и прикладная схема

ИС с линейным эффектом Холла — это магнитные сенсорные устройства, разработанные для реагирования на магнитные поля для получения пропорционального количества электрического выходного сигнала.

Таким образом, он становится полезным для измерения напряженности магнитных полей, а также в приложениях, где требуется переключение выхода с помощью магнитных триггеров.

Современные ИС на эффекте Холла разработаны с учетом устойчивости к большинству механических нагрузок, таких как вибрации, толчки, удары, а также к влаге и другим атмосферным загрязнениям.

Эти устройства также невосприимчивы к колебаниям температуры окружающей среды, которые в противном случае могут сделать эти компоненты уязвимыми к нагреву, что приведет к неправильным результатам на выходе.

Как правило, современные линейные ИС на эффекте Холла могут оптимально работать в диапазоне температур от -40 до +150 градусов Цельсия.

Базовая схема расположения выводов

Ratiometric Specified Functioning

Многие стандартные линейные ИС на эффекте Холла, такие как серия A3515 / 16 от Allegro или DRV5055 от ti.com являются «логометрическими» по своей природе, при этом выходное напряжение покоя и чувствительность устройств меняются в зависимости от напряжения питания и температуры окружающей среды.

Напряжение покоя обычно может составлять половину напряжения питания. В качестве примера, если мы считаем, что напряжение питания устройства составляет 5 В, в отсутствие магнитного поля его выходной сигнал покоя обычно будет 2,5 В и будет изменяться со скоростью 5 мВ на гаусс.

В случае увеличения напряжения питания до 5,5 В, напряжение покоя также будет соответствовать 2.75 В с чувствительностью до 5,5 мВ / Гс.

Что такое динамическое смещение

ИС с линейным эффектом Холла, такие как A3515 / 16 BiCMOS, включают в себя запатентованную систему компенсации динамического смещения с помощью встроенного высокочастотного импульса, поэтому остаточное напряжение смещения материала Холла контролируется соответственно.

Остаточное смещение обычно может возникнуть из-за переформовки устройства, отклонений температуры или других стрессовых ситуаций.

Вышеупомянутая особенность обеспечивает эти линейные устройства значительно стабильным выходным напряжением покоя, хорошо защищенным от всех типов внешних негативных воздействий на устройство.

Использование линейной ИС с эффектом Холла

ИС с эффектом Холла может быть подключена с помощью указанных соединений, где выводы питания должны подключаться к соответствующим клеммам постоянного напряжения (регулируемым). Выходные клеммы могут быть подключены к соответствующим образом откалиброванный вольтметр с чувствительностью, соответствующей диапазону выходного сигнала Холла.

Рекомендуется подключение байпасного конденсатора 0,1 мкФ непосредственно к контактам питания ИС, чтобы защитить устройство от внешних наведенных электрических шумов или паразитных частот.

После включения устройству может потребоваться несколько минут периода стабилизации, в течение которого его нельзя эксплуатировать с магнитным полем.

Как только устройство стабилизируется по внутренней температуре, оно может подвергнуться воздействию внешнего магнитного поля.

Вольтметр должен немедленно зарегистрировать отклонение, соответствующее силе магнитного поля.

Определение плотности потока

Для определения плотности потока магнитного поля выходное напряжение устройства может быть нанесено на график и расположено по оси Y калибровочной кривой, пересечение выходного уровня с калибровочной кривой подтвердит соответствующее плотность потока на кривой оси X.

Области применения линейного эффекта Холла
  1. Устройства с линейным эффектом Холла могут иметь различные области применения, некоторые из них представлены ниже:
  2. Бесконтактные измерители тока для измерения тока, внешне проходящего через проводник.
  3. Измеритель мощности, идентичный описанному выше (измерение ватт-часов) Обнаружение точки срабатывания по току, в котором внешняя схема интегрирована с каскадом измерения тока для контроля и отключения указанного предела превышения тока.
  4. Тензометрические измерители, в которых коэффициент деформации магнитно связан с датчиком Холла для обеспечения заданных выходных сигналов.
  5. Приложения смещенного (магнитного) зондирования Детекторы черных металлов, в которых устройство на эффекте Холла сконфигурировано для обнаружения черных металлов посредством определения силы относительной магнитной индукции. Устройство Холла.
  6. Джойстик с датчиком промежуточного положения Датчик уровня жидкости, еще одно важное приложение датчика Холла. Другими аналогичными приложениями, в которых в качестве основной среды наряду с устройством на эффекте Холла используется напряженность магнитного поля, являются: измерение температуры / давления / вакуума (с сильфонным узлом) Определение положения дроссельной заслонки или воздушного клапана Бесконтактные потенциометры.

Принципиальная схема с использованием датчика Холла

Сенсор на эффекте Холла, описанный выше, можно быстро настроить с помощью нескольких внешних частей для преобразования магнитного поля в электрические переключающиеся импульсы для управления нагрузкой.Простую принципиальную схему можно увидеть ниже:

В этой конфигурации датчик Холла преобразует магнитное поле в заданной близости и преобразует его в линейный аналоговый сигнал через свой «выходной» вывод.

Этот аналоговый сигнал можно легко использовать для управления нагрузкой или для питания любой желаемой схемы переключения.

Как увеличить чувствительность

Чувствительность вышеуказанной базовой схемы на эффекте Холла можно увеличить, добавив дополнительный PNP-транзистор с существующим NPN, как показано ниже:

Использование Opamp

Датчик Холла DRV5055 также может быть интеграция с операционным усилителем для включения переключателя приводит к реакции на магнитное приближение с устройством на эффекте Холла.

Здесь инвертирующий вход операционного усилителя установлен на фиксированное опорное значение 1,2 В с использованием двух диодов серии 1N4148, в то время как неинвертирующий вход операционного усилителя настроен на выход эффекта Холла для предполагаемого обнаружения.

Предустановка 1k используется для установки порога переключения, при котором операционный усилитель должен переключаться, в зависимости от силы и уровня близости магнитного поля, окружающего эффект Холла.

В отсутствие магнитного поля выходной сигнал датчика Холла остается ниже установленного порога входов операционного усилителя.

Как только выходной сигнал эффекта Холла превышает неинвертирующий порог операционного усилителя, установленный предустановкой и опорным уровнем инвертирующего входа, выход операционного усилителя становится высоким, в результате чего светодиод загорается. включить. Светодиод может быть заменен другим каскадом схемы для включения какой-либо другой желаемой нагрузки.

Принцип работы магнитного переключателя А3144 датчика эффекта Холла


Введение:

В этом уроке мы узнаем об основных принципах работы и объяснениях работы и объяснения магнитного переключателя датчика эффекта Холла A3144.Мы также разработаем схему переключения с использованием транзистора, который поможет в обнаружении северного и южного магнитных полюсов. Его также можно использовать для обнаружения магнитного поля. Датчик на эффекте Холла, как следует из его названия, работает по принципу эффекта Холла и используется для обнаружения магнитов. Каждая сторона датчика может обнаруживать один конкретный полюс. Его также можно легко подключить к микроконтроллеру, поскольку он работает на транзисторной логике.


Датчик Холла A3144 Основы работы с магнитным переключателем и объяснение
Что такое датчик эффекта Холла:

A3144 — это встроенный датчик Холла без фиксации.Если удерживать магнит рядом с датчиком, выходной контакт переключится. Это делает датчик присутствия надежным. Герконовый датчик также работает хорошо, но его характеристики могут быть ограничены стеклянной оболочкой и размером.

Существует два основных типа датчиков Холла: один дает аналоговый выход, а другой — цифровой. A3144 — это датчик Холла с цифровым выходом, что означает, что если он обнаруживает магнит, выход будет низким, в противном случае выход останется высоким.

Датчик Холла намного меньше по размеру, но может выдерживать меньший ток, чем геркон.Устройство включает встроенный в кристалл генератор напряжения Холла для магнитного зондирования, компаратор, усиливающий напряжение Холла, и триггер Шмитта для обеспечения гистерезиса переключения для подавления шума и выход с открытым коллектором. Внутренний регулятор запрещенной зоны используется для обеспечения напряжения питания с температурной компенсацией для внутренних цепей и обеспечивает широкий рабочий диапазон питания. Если плотность магнитного потока больше порогового значения Bop, выход включается (низкий). Состояние выхода сохраняется до тех пор, пока изменение плотности магнитного потока не упадет ниже Brp, что приведет к отключению выхода (высокий уровень).

Характеристики датчика Холла A3144

1. Superior Temp. Стабильность для автомобильного или промышленного применения

2. Работа от 4,5 В до 24 В… Требуется только нерегулируемое питание

3. Выход с открытым коллектором 25 мА… Совместимость с цифровой логикой

4. Обратная защита аккумулятора

5. Активация с помощью Небольшие, имеющиеся в продаже постоянные магниты

6. Надежность твердотельных накопителей

7.Маленький размер

8. Устойчивость к физическим нагрузкам

Работа датчика Холла:

Когда пучок заряженных частиц проходит через магнитное поле, на частицы действуют силы, и пучок отклоняется от прямого пути. Поток электронов через проводник известен как пучок носителей заряда. Когда проводник помещается в магнитное поле, перпендикулярное направлению электронов, они отклоняются от прямого пути.Как следствие, одна плоскость проводника станет отрицательно заряженной, а противоположная сторона — положительно заряженной. Напряжение между этими плоскостями называется напряжением Холла.

Когда сила, действующая на заряженные частицы со стороны электрического поля, уравновешивает силу, создаваемую магнитным полем, их разделение прекращается. Если ток не меняется, то напряжение Холла является мерой плотности магнитного потока. По сути, существует два типа датчиков Холла.Один является линейным, что означает, что выходное напряжение линейно зависит от плотности магнитного потока; другой называется порогом, что означает резкое уменьшение выходного напряжения при каждой плотности магнитного потока.


Схема переключателя датчика на эффекте Холла

Следующие компоненты необходимы для разработки переключателя с датчиком Холла, использующего A3144 и транзистор.

1. Датчик Холла A3144

2.BC547 или любой другой транзистор NPN

3. Резистор 1 кОм

4. Макетная плата

5. Соединительные провода

6. Источник питания 12 В

Теперь соберите схему, как показано на принципиальной схеме.


Видеоурок: Датчик эффекта Холла A3144 Магнитный переключатель: основы работы и объяснения

Датчик Холла A3144 Магнитный переключатель || Принципиальная схема и работа

Вот приложение датчика эффекта Холла: расходомер воды Arduino с использованием датчика эффекта Холла

Что такое датчик Холла? — Аналоговый — Технические статьи

Датчик Холла, также известный как датчик Холла, отслеживает магнитные поля с высокой точностью, постоянством и надежностью.Почему это важно? Потому что это позволяет вам определять положение и движение объектов в системе. В этой статье я объясню, что такое датчик на эффекте Холла, его основные строительные блоки и функции, а также распространенные варианты использования датчиков Холла.

Датчик Холла не является типичной интегральной схемой (ИС), потому что, в отличие от большинства ИС, он косвенно взаимодействует со своей ключевой «схемой» — магнитом! Как показано на рисунке 1, элементарный датчик на эффекте Холла состоит из элемента Холла, который превращает магнитное поле в напряжение, и схемы обработки, такой как операционный усилитель.Схема как аналоговой, так и цифровой обработки критически важна для работы датчика Холла, потому что выходное напряжение элемента Холла крошечное — иногда в диапазоне микровольт. Один из простейших датчиков на эффекте Холла использует только трехконтактные корпуса, транзистор с малым контуром (SOT) -23 или контур транзистора (TO) -92, для источника питания, заземления и вывода.

Рисунок 1: Базовый датчик Холла

Магнитные поля никогда не являются прямыми линиями, поскольку они проходят от одного полюса к другому, но на Рисунке 1 для простоты показаны прямые линии, падающие на датчик.Точное знание того, как эти векторы поля ведут себя в космосе, позволяет вам делать с ними много творческих вещей. Ознакомьтесь с примечаниями по применению на странице поддержки и обучения магнитных датчиков TI, где можно найти некоторые основные идеи.

Вы когда-нибудь задумывались о том, как работают датчики на эффекте Холла? Простой ответ заключается в том, что небольшое напряжение возникает на куске проводящего материала, вытесняя электроны в одну сторону, поскольку ток проталкивается через проводник и магнитное поле прикладывается в ортогональном направлении (см. Рисунок 2).Этот потенциал напряжения приписывается силе Лоренца, открытой Эдвином Холлом в 1879 году.

Рисунок 2: Эффект Холла

Обратите внимание на направление магнитного поля относительно элемента Холла? Это ключевой аспект датчика Холла, который необходимо учитывать при проектировании механической части. В большинстве таблиц данных датчиков Холла указывается ожидаемое направление магнитного поля относительно поверхности упаковки. В ассортименте датчиков Холла TI есть несколько вариантов.

Это фундаментальное понимание того, как работают датчики на эффекте Холла, необходимо для того, чтобы вы знали, как их эффективно использовать при правильном расположении относительно магнита. Но вам также необходимо знать, как магнитные поля, создаваемые магнитом, влияют на расстояние. На рисунке 3 показан простой график того, как магнитное поле затухает на расстоянии от магнита.

Рисунок 3: Распад магнитного поля на расстоянии

Чтобы максимизировать разрешение измерения, вам необходимо убедиться, что минимальные и максимальные значения расстояния системы находятся в пределах области с наибольшим изменением магнитного поля.

На сегодняшний день доступны три типа датчиков положения на эффекте Холла:

  • Переключатель на эффекте Холла — это цифровое устройство вывода, которое переключает состояния в зависимости от магнитного поля, которое он воспринимает. По мере приближения магнита к датчику магнитное поле, которое он воспринимает, становится сильнее и переключается в активное состояние, называемое B OP . Когда магнитное поле, которое оно ощущает, ослабевает (по мере того, как магнит отодвигается дальше), устройство возвращается в неактивное состояние на пороге, называемом B RP .
  • Защелка на эффекте Холла практически идентична переключателю, за исключением того, что у нее есть точка B RP , противоположная по магнитной полярности. Другими словами, для переключения состояния выходного напряжения требуется переменная полярность магнитного поля.
  • Линейный датчик на эффекте Холла, также известный как линейный датчик, представляет собой аналоговое устройство, которое изменяет свое выходное напряжение пропорционально магнитному полю, которое он обнаруживает. В отсутствие магнитного поля устройство будет производить выходное напряжение, равное половине напряжения источника питания (V Q ).По мере усиления магнитного поля выходное напряжение будет либо приближать его к земле (магнитный север), либо приближаться к напряжению источника питания (магнитный юг), пока не достигнет точки насыщения. Датчик не будет измерять магнитные поля более сильные, чем те, которые достигаются при насыщении, из-за неизменного выходного напряжения. Коммутаторы и линейные устройства бывают однополярных версий (которые могут распознавать только северное или южное поля) или многополярных переключателей и биполярных линейных датчиков (которые распознают как северные, так и южные поля).

На рис. 4 показаны соответствующие передаточные функции трех типов датчиков Холла.

Рисунок 4: Передаточные функции переключателя, защелки и линейного датчика

Магнитные точки B OP и B RP в переключателях и защелках определяют значение гистерезиса (B HYS = B OP — B RP ). Использование гистерезиса в вашей системе предотвратит переключение между выходными состояниями.

Общие приложения датчиков Холла

Переключатели

широко используются в портативных компьютерах, дверцах холодильников и оконечных переключателях для обнаружения, когда магнит приближается к датчику. Защелки популярны в приложениях для кодирования вращения и коммутации двигателей, где вращательный аспект приложения созрел для непрерывного мониторинга положения вращающегося вала. Линейные датчики могут точно измерять смещение объекта, поэтому они подходят для линейных приводов, триггеров переменной скорости и педалей ускорения.

Датчики

на эффекте Холла обеспечивают рентабельный способ наблюдения за движущимися объектами. В зависимости от области применения вы можете использовать переключатель, защелку или линейный датчик. Если вы хотите продолжить изучение датчиков на эффекте Холла, я рекомендую вам ознакомиться с нашей серией учебных курсов TI Precision Labs по магнитным датчикам.

Дополнительные ресурсы

Измерение тока на эффекте Холла: конфигурации с разомкнутым и замкнутым контуром

Датчики тока широко используются в различных приложениях.Распространенным методом является измерение резистивного тока, когда падение напряжения на шунтирующем резисторе измеряется для определения неизвестного тока. Решения на основе шунтирующих резисторов не обеспечивают гальваническую развязку и не являются энергоэффективными, особенно при измерении больших токов.

Другой широко используемый метод основан на эффекте Холла. Датчик тока на эффекте Холла обеспечивает более высокий уровень безопасности благодаря гальванической развязке между датчиком и измеряемым током. Это также позволяет избежать значительного рассеивания мощности шунтирующим резистором, используемым в методах измерения резистивного тока.

В этой статье мы рассмотрим основы датчиков тока на эффекте Холла.

Измерение тока разомкнутого контура

Структура датчика тока разомкнутого контура на основе эффекта Холла показана на рисунке 1.

Рис. 1. Изображение любезно предоставлено Dewesoft

Измеряемый ток протекает через проводник внутри магнитопровода. Таким образом, ток создает магнитное поле внутри сердечника.Это поле измеряется датчиком на эффекте Холла, помещенным в воздушный зазор сердечника.

Выходной сигнал датчика Холла представляет собой напряжение, пропорциональное магнитному полю сердечника, которое также пропорционально входному току. Сигнал, создаваемый устройством Холла, обычно обрабатывается схемой преобразования сигнала. Схема преобразования сигнала может представлять собой простой каскад усиления или более сложную схему, предназначенную для устранения ошибки дрейфа устройства Холла и т. Д.

Зачем нужен магнитный сердечник?

Предположим, что магнитопровода нет.{-5} ~ Тесла = 0,2 ~ Гаусс \]

Чтобы получить представление о том, насколько мало это магнитное поле, обратите внимание, что магнитное поле Земли составляет около 0,5 Гаусса. Следовательно, очень сложно измерить ток 1 А путем измерения магнитного поля, которое он создает в свободном пространстве. Чтобы решить эту проблему, мы можем использовать магнитный сердечник для ограничения и направления магнитного поля, создаваемого током. Сердечник обеспечивает путь высокой проницаемости для магнитного поля и действует как концентратор поля. Магнитное поле внутри сердечника может быть в сотни или тысячи раз больше, чем то, которое данный ток может создать в свободном пространстве.

Воздушный зазор

Как показано на Рисунке 1, магнитопровод имеет воздушный зазор, в котором размещен датчик Холла. Воздушный зазор может привести к явлению окаймляющего потока, когда некоторые силовые линии отклоняются от своего прямого пути и, следовательно, не проходят через датчик, как ожидалось. Этот эффект окантовки показан на рисунке 2.

Рис. 2. Изображение любезно предоставлено R. Jez

Из-за эффекта окантовки плотность магнитного потока, воспринимаемая устройством Холла, может быть меньше, чем плотность магнитного потока внутри сердечника.Другими словами, воздушный зазор может снизить эффективность сердечника по преобразованию первичного тока в сильное магнитное поле. Однако, если длина зазора мала по сравнению с площадью поперечного сечения зазора, эффект окантовки может быть относительно небольшим.

Нам нужен воздушный зазор для измерения магнитного поля внутри сердечника. Кроме того, воздушный зазор позволяет изменять общее сопротивление сердечника. Обратите внимание, что сильный ток может создать сильное магнитное поле внутри сердечника и насытить его.Это может ограничить максимальный измеряемый ток. Регулируя длину воздушного зазора, мы можем изменить уровень насыщения сердечника. На рисунке 3 показано, как измеренная плотность магнитного потока изменяется в зависимости от длины воздушного зазора для данного сердечника.

Рис. 3. Изображение предоставлено Allegro

С меньшими воздушными зазорами мы можем добиться большего магнитного усиления (Гаусс на ампер). Однако меньший воздушный зазор может вызвать насыщение сердечника при относительно меньшем токе.Следовательно, длина промежутка напрямую влияет на максимальный измеряемый ток. Помимо длины зазора, есть другие факторы, такие как материал сердечника, размеры сердечника и геометрия сердечника, которые определяют эффективность магнитного сердечника. Для получения дополнительной информации о сердечниках, подходящих для сильноточных приложений (> 200 А), обратитесь к этому примечанию по применению от Allegro.

Ограничения измерения тока разомкнутого контура

В конфигурации с разомкнутым контуром неидеальные эффекты, такие как линейность и ошибки усиления, могут повлиять на точность измерения.Например, если чувствительность датчика изменяется в зависимости от температуры, на выходе появится ошибка, зависящая от температуры. Кроме того, при измерении тока без обратной связи сердечник подвержен насыщению. Более того, смещение датчика Холла, а также коэрцитивная сила сердечника могут вносить вклад в ошибки.

Измерение тока в замкнутом контуре

Метод измерения тока на эффекте Холла с обратной связью показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Изображение любезно предоставлено Cheemi-Tech

Как следует из названия, этот метод основан на концепциях отрицательной обратной связи. В этом случае есть вторичная обмотка, которая приводится в действие выходом тракта обратной связи. Путь обратной связи определяет магнитное поле внутри сердечника и регулирует ток через вторичную обмотку так, чтобы полное магнитное поле сердечника стало равным нулю. Посмотрим, как работает эта схема.

Измеряемый ток протекает через первичный проводник и создает магнитное поле внутри сердечника.Это поле измеряется датчиком на эффекте Холла, помещенным в воздушный зазор сердечника. Выходной сигнал датчика Холла, который представляет собой напряжение, пропорциональное магнитному полю сердечника, усиливается и преобразуется в токовый сигнал, который проходит через вторичную обмотку. Система спроектирована таким образом, что ток, проходящий через вторичную обмотку, создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю первичного тока. При нулевом полном магнитном поле должно получиться:

\ [N_pI_p = N_sI_s \]

, где N p и N s — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно; и I p и I s — первичный и вторичный токи.На рисунке 4 мы имеем N p = 1 и \ [V_ {out} = R_m \ times I_s \]. Отсюда получаем:

\ [V_ {out} = R_m \ times \ frac {1} {N_s} \ times I_p \]

Это дает нам напряжение, пропорциональное первичному току. Обратите внимание, что коэффициент пропорциональности \ [R_m \ times \ frac {1} {N_s} \] является функцией количества витков и номинала шунтирующего резистора. Число витков — постоянная величина, резисторы также очень линейны.

Измерение тока в разомкнутом контуре и замкнутом контуре

Отрицательная обратная связь, используемая в архитектуре с обратной связью, позволяет нам уменьшить неидеальные эффекты, такие как линейность и ошибки усиления.Вот почему, в отличие от конфигурации с открытым контуром, архитектура с обратной связью не подвержена дрейфу чувствительности датчика. Следовательно, конфигурация с обратной связью обеспечивает более высокую точность. Датчик тока с обратной связью более устойчив к насыщению сердечника, поскольку плотность магнитного потока внутри сердечника очень мала.

При измерении с обратной связью вторичная катушка активно приводится в действие мощным усилителем. Дополнительные компоненты, используемые в архитектуре с обратной связью, приводят к увеличению площади печатной платы, более высокому энергопотреблению, а также более высокой цене.

Проблема стабильности — еще один недостаток датчика тока с обратной связью. В конфигурации с обратной связью нам необходимо получить передаточную функцию системы и убедиться, что система стабильна. Нестабильная система может демонстрировать выбросы или звон в ответ на быстрое изменение входного тока. Чтобы сделать замкнутую систему стабильной, нам обычно нужно ограничить ее пропускную способность. Однако уменьшение пропускной способности системы может увеличить время отклика и сделать систему неспособной реагировать на быстрые изменения входных данных.Обычно ожидается, что конфигурация с разомкнутым контуром будет демонстрировать более быстрое время отклика.

Обратите внимание, что смещение датчика Холла может вносить вклад в ошибки как в конфигурации с обратной связью, так и с обратной связью. Смещение качественного элемента Холла из антимонида индия (InSb) обычно составляет ± 7 мВ.

Современные интегрированные решения

Стоит отметить, что современные датчики тока на основе эффекта Холла используют инновационные методы для устранения некоторых из вышеперечисленных ограничений.Например, DRV411 от TI — это ИС формирования сигнала, разработанная для приложений измерения тока с обратной связью, в которой используется метод вращения тока для устранения ошибок смещения и дрейфа элемента Холла. Этот метод показан на рисунке 5.

Рис. 5. Техника токового вращения, используемая в DRV411. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Другой пример — ACS720 [ссылка для скачивания в формате PDF] от Allegro, который разработан для приложений измерения тока без обратной связи.ACS720 использует встроенные алгоритмы температурной компенсации для оптимизации точности по температуре.

Рисунок 6. Блок-схема ACS720. Изображение любезно предоставлено компанией Allegro Microsystems [Ссылка для скачивания в формате PDF]

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.

Конструкция внешнего интерфейса КМОП линейного датчика Холла, работающего в текущем режиме с программируемым каскадом усиления для микросхемы, зависящей от мощности тоже увеличивается.КМОП линейный магнитный датчик Холла, работающий в токовом режиме с каскадом программируемого усиления, спроектирован и реализован с использованием стандартной КМОП-технологии SMIC 55 нм. Используя метод спинового тока, метод прерывателя и метод цифровой калибровки для устранения напряжения смещения и нелинейности, этот магнитный датчик Холла можно легко интегрировать в цифровые системы, такие как SoC. В этой работе уже завершено моделирование схемы и макетирование, и все показатели моделирования в основном достигли ожидаемого значения.Максимальное усиление предлагаемых сенсорных систем может достигать 33,9 дБ. Суммарная мощность менее 4 мВт. И общая площадь меньше 0,113

мкм м 2 . Магнитный датчик Холла можно легко интегрировать в микросхемы, такие как энергетический Интернет вещей, чтобы сформировать однокристальную конструкцию SoC, которая в основном используется в таких приложениях, как автоматические выключатели и измерение электрической энергии.

1. Введение

С быстрым развитием очень крупномасштабных интегральных схем, появляются также различные новые типы оборудования и различные цифровые микросхемы, используемые в электрических сетях, а также связанные с ними микросхемы цифро-аналоговых гибридных датчиков.Обычно используемые специальные микросхемы управления для энергоснабжения Интернета вещей обычно имеют уровень интеграции только до уровня цифро-аналогового / аналого-цифрового преобразователя, и соответствующая часть датчика по-прежнему должна быть подключена к внешнему чипу. Учитывая реализацию общей функции системы и достижение достаточной производительности при относительно низкой стоимости, дизайн SoC (система на кристалле) постепенно стал мейнстримом. Исходя из того, что процесс производства КМОП-кристаллов соответствует стандарту, многие элементы схемы датчиков вне кристалла уже интегрированы в SoC, образуя однокристальную конструкцию.Датчик Холла является одним из тех, которые легко интегрируются со стандартным процессом CMOS. Являясь частью специального чипа для силового Интернета вещей, он может бесконтактно измерять ток внутри линии, измеряя магнитную индукцию рядом с линией электропередач, что может применяться в различных случаях, таких как автоматические выключатели и измерение энергии.

Датчики Холла широко используются в автомобильных и промышленных приложениях, таких как измерение тока, определение угла и определение положения.Датчики Холла предпочтительнее из-за их низкой стоимости, малой мощности, широкого диапазона, высокой чувствительности и большой совместимости со стандартными КМОП. Поскольку датчики не производятся по специальной технологии, они также страдают от дрейфа чувствительности и смещения пластины Холла. Обычно смещение можно устранить с помощью методов прядильного тока и прерывателя. Дрейф чувствительности можно компенсировать с помощью справочной таблицы, аналоговой компенсации или цифровой калибровки. Справочная таблица — это самый простой способ компенсации дрейфа чувствительности, но производительность оставляет желать лучшего.Метод аналоговой компенсации может иметь лучшие характеристики, но приводит к более высокой сложности и стоимости реализации. Метод цифровой калибровки является предпочтительным, поскольку он превосходит справочную таблицу и его легко реализовать в цифровой области с помощью тщательно разработанного алгоритма калибровки.

2. Материалы и методы

Основная структура предлагаемой системы датчиков Холла представлена ​​на рисунке 1. Она состоит из сердечника Холла, токового зеркала и его смещения, двух каскадов дифференциального усилителя, цепи прерывателя и тактовый генератор.


В этой конструкции устройство Холла смещено парой токовых зеркал для создания пары дифференциальных напряжений Холла. Дифференциальное напряжение Холла усиливается дифференциальным усилителем Amp1 с постоянным усилением. Затем выходной сигнал Amp1 проходит через цепь прерывателя, чтобы устранить напряжение смещения пластины Холла. После усиления Amp2 с программируемым усилением конечный выходной сигнал дискретизируется и измеряется 16-битным АЦП со скоростью 1 MSps, а затем обрабатывается в цифровой области.Тактовый генератор вырабатывает разные тактовые импульсы для ядра Холла, чтобы реализовать технику вращающегося тока, и для прерывателя, чтобы уменьшить напряжение смещения Холла. Подробности каждого блока будут рассмотрены ниже.

2.1. Current Mirror и Vbias

Сердечник Холла смещен постоянным током 100 μ A для получения стабильного напряжения Холла. Чтобы получить более низкое синфазное напряжение холловского напряжения, пара токовых зеркал реализована отдельно PMOS и NMOS с использованием каскадной структуры с широким поворотом.На рисунке 2 показаны детали текущих зеркал, где узлы с vbp4 по vbn1 поступают из цепи Vbias.


Схема Vbias предоставляет узлы от vbp4 до vnb1 для текущих зеркал. То есть, это в основном структура с постоянным Gm, которая может обеспечить удовлетворительную устойчивость к источнику питания [1].

2.2. Ядро Холла

Ядро Холла состоит из устройства Холла или так называемой пластины Холла и 8 переключателей. Устройство Холла реализовано с использованием полупроводника N-типа, а точнее, области N-ямы.Рисунок 3 демонстрирует типичную геометрию устройства Холла. Общие типы пластин Холла включают прямоугольник, мост и крест. В этой конструкции выбран крестообразный тип, и наверху N-лунки добавлена ​​область P +, чтобы избавиться от эффекта от верхнего контура.


На рисунке 4 показана модель пластины Холла для моделирования схем. И его базовая структура по-прежнему принимает самую базовую структуру моста Уитстона [2, 3]. Четыре резистора на плече представляют собой N-луночное диффузионное сопротивление четырех встречно-штыревых областей.Четыре резистора в середине представляют собой сопротивление в центральной части пластины Холла. Конденсатор служит паразитной емкостью в контактном отверстии для имитации переходной характеристики пластины Холла. А четыре источника напряжения с управляемым током используются для имитации эффекта Холла и управляются током, протекающим через контактное отверстие. Выходное напряжение этой модели динамически зависит от напряженности магнитного поля. Например, он может генерировать пару дифференциальных напряжений Холла 84 мк В, сопровождаемых напряжением смещения 96 мк В ниже 10 мТл при 20 кГц.Показана схема данной модели.


Для устранения холловского напряжения смещения, вызванного геометрической асимметрией, мы используем метод спинового тока в схеме сердечника Холла с использованием 8 переключателей [4–8]. На рисунке 5 представлена ​​базовая структура. Тактовая частота 8 переключателей представляет собой прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50% и может составлять до 50 МГц. Фаза между clk1 и clk2 составляет 180 °. Текущее направление — от ibp к ibn. Он работает в 2-х фазах.


В первой фазе ток смещения протекает от узла na к узлу nc; таким образом, дифференциальное напряжение Холла генерируется из узла nb и узла nd:

Во второй фазе ток смещения протекает от узла nb к узлу nd; таким образом, дифференциальное напряжение Холла генерируется из узла nc и узла na:

Если частота переключения направления тока намного больше, чем частота изменения магнитного поля, то магнитное поле приблизительно не изменяется в этих двух фазах.Вычитая напряжение, полученное от этих двух фаз, дифференциальное напряжение Холла становится равным

Использование технологии вращающегося тока с портами и фазами может еще больше снизить напряжение смещения, но это увеличит сложность системы и ограничит ее рабочую скорость. Необходимо согласовать соотношение между скоростью системы и напряжением смещения.

2.3. Дифференциальный усилитель

Эффект Холла очень слабый. И выходное напряжение Холла модуля модуляции очень мало, порядка мкВ ~ мВ.Следовательно, перед демодуляцией его необходимо усилить. Дифференциальный усилитель состоит из двух несимметричных операционных усилителей и нескольких сопротивлений. Поскольку выходной сигнал диска Холла слабый, первый каскад усилителя с регулируемым усилением требует низкого уровня шума и высокого входного сопротивления. Для Amp1 в этой конструкции используется двухкаскадный опциональный усилитель со складчатым каскодом с компенсацией Миллера. Для Amp2 используются три переключателя для получения программируемого усиления. Подробная структура Amp1 и Amp2 показана на рисунках 6 (a) и 6 (b).При такой реализации Amp1 может обеспечить усиление 20, а Amp2 может обеспечить усиление 250 / 49,2 / 9,1, когда усиление [2] / усиление [1] / усиление [0] включаются отдельно. Напряжение питания реализованного операционного усилителя составляет 2,5 В, а статическая потребляемая мощность составляет 370 мк А. Коэффициент усиления без обратной связи составляет до 80 дБ. А частота среза разомкнутого контура составляет 200 МГц [9–11].


(a) Структура Amp1
(b) Структура Amp2
(a) Структура Amp1
(b) Структура Amp2
2.4. Прерыватель

Схема прерывателя разработана между Amp1 и Amp2 для уменьшения напряжения смещения устройства Холла путем интегрирования напряжения Холла vhp и vhn в двух фазах синхронизации [12]. Схема прерывателя реализована с использованием нескольких конденсаторов. Подробная структура показана на рисунке 7. Тактовые импульсы с clk3 по clk5 также генерируются генератором тактовых импульсов. В фазе clk3 накапливается конденсатор. Затем в фазе clk4 сохраняется конденсатор. В фазе clk5 и интегрированы на выходном конденсаторе.Пока соотношение входной емкости и выходной емкости регулируется как 2: 1, значение выходной емкости равно.


2.5. Тактовый генератор

Тактовый генератор генерирует 5 тактов для сердечника Холла и схемы прерывателя [13]. Фазовая диаграмма этих часов представлена ​​на рисунке 8. Параметры этих часов имеют жизненно важное значение. Таким образом, с кольцевой D-триггерной структурой и техникой цифрового синтеза эти параметры могут быть строго точными.На рисунке 9 показана структура кольцевого D-триггера тактового генератора (например, clk3), а в таблице 1 перечислены параметры этих тактовых импульсов.




/ пс / пс Режим (мин.) / Нс

cl
clk2 27,9 28.8
clk3 24,8 27,1
clk4

3. Результаты и обсуждение

Эта работа уже завершила моделирование схемы и проектирование компоновки.Схема компоновки предлагаемой пластины Холла показана на рисунке 10. Схема компоновки всей системы показана на рисунке 11. Результаты моделирования показывают, что предлагаемая система датчиков Холла может усиливать сигнал Холла 168 μ v (Vpp). напряжение (со смещением 96 мкВ, В) до 414 мВ (со смещением -27 мВ). При использовании предлагаемой системы датчиков Холла напряжение Холла увеличивается в 2460 раз.



Сводные характеристики приведены в таблице 2 (чувствительность зависит от модели устройства Холла).

4 Смещение μ T

Этот [14] [15] [16] Устройство

Tech 350 180 нм
Размер пластины / / μ м 2
123124
Частота вращения 50M 250k 20k 1k Hz
Area 0.113 1,16 11,55 / μ м 2
Мощность 4 0,12 3,3 1,6 мВт 1,6 В / А / Т 50 мА / Т 50 мВ / Т
Нелинейность 0,2% 0,8% / %
50 μ T 40 μ T 25 μ T μ T

.Выводы

Результаты моделирования показывают, что внешний интерфейс системы датчиков Холла способен усиливать напряжение Холла и уменьшать напряжение смещения. При интеграции с АЦП данные напряжения Холла можно легко обрабатывать с помощью ЦП или DSP. В то же время, поскольку конструкция сенсорной системы основана на стандартном процессе SMIC 55 нм, с необходимой цифровой управляющей логикой и частью АЦП, эту конструкцию легко интегрировать в соответствующие микросхемы SoC, рассчитанные на конкретную мощность. Преимущество нашей системы датчиков Холла — небольшая занимаемая площадь и простая интеграция с чипами SoC.А благодаря технологии вращающегося тока очень высокой частоты, эта система датчиков Холла может обрабатывать переменное магнитное поле частотой до 100 кГц с затуханием не более -3 дБ.

В этой статье была проделана большая работа по оптимизации конструкции КМОП-устройств Холла, устранению смещения и технологии схем усиления сигнала, а также имитационному моделированию устройства Холла и другим аспектам. Хотя мы получили некоторые значимые результаты, все же есть некоторые недостатки. Будущий план предполагает следующие направления.

В основном мы применяем технологию динамического устранения смещения двухфазного спинового тока. Однако остаточное смещение все еще велико, что связано с чувствительностью устройства Холла к колебаниям производственного процесса и эффекту поля перехода. Мы будем использовать четырехфазную технологию спинового тока в сочетании с полностью симметричной структурой конструкции устройства Холла, чтобы улучшить возможность устранения смещения устройства Холла и получения более низкого остаточного смещения.Кроме того, к схеме преобразования сигнала будет применена технология отрицательной обратной связи, чтобы уменьшить остаточное смещение, вызванное самой схемой преобразования сигнала. Также будет изучена технология компенсации механических напряжений в микросхеме, чтобы устранить смещение, вызванное механическим напряжением после упаковки.

Доступность данных

Необработанные / обработанные данные, необходимые для воспроизведения результатов, полученных в этом исследовании, не могут быть переданы в настоящее время, поскольку они используются в текущем исследовании.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла

В этом руководстве мы узнаем, что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Обзор

Эффект Холла является наиболее распространенным методом измерения магнитного поля, а датчики на эффекте Холла очень популярны и находят множество современных применений.Например, они используются в транспортных средствах в качестве датчиков скорости вращения колес, а также датчиков положения коленчатого или распределительного вала. Также они часто используются в качестве переключателей, МЭМС-компасов, датчиков приближения и так далее. Теперь мы рассмотрим некоторые из этих датчиков и посмотрим, как они работают, но сначала давайте объясним, что такое эффект Холла.

Что такое эффект Холла?

Вот эксперимент, который объясняет эффект Холла: если у нас есть тонкая проводящая пластина, как показано на рисунке, и мы настроим ток, протекающий через нее, носители заряда будут течь по прямой линии от одной стороны пластины к другой.

Теперь, если мы поднесем некоторое магнитное поле к пластине, мы нарушим прямой поток носителей заряда из-за силы, называемой Сила Лоренца (Википедия). В таком случае электроны отклонятся на одну сторону пластины, а положительные отверстия — на другую сторону пластины. Это означает, что если мы теперь поместим измеритель между двумя другими сторонами, мы получим некоторое напряжение, которое можно измерить.

Итак, эффект получения измеримого напряжения, как мы объясняли выше, называется эффектом Холла в честь Эдвина Холла, который открыл его в 1879 году.

Датчики на эффекте Холла

Базовый элемент Холла магнитных датчиков на эффекте Холла в основном обеспечивает очень небольшое напряжение, всего несколько микровольт на гаусс, поэтому эти устройства обычно производятся со встроенными усилителями с высоким коэффициентом усиления.

Существует два типа датчиков Холла: один обеспечивает аналоговый, а другой цифровой выход. Аналоговый датчик состоит из регулятора напряжения, элемента Холла и усилителя. Из принципиальной схемы видно, что выходной сигнал датчика является аналоговым и пропорционален выходному сигналу элемента Холла или напряженности магнитного поля.Датчики этого типа подходят и используются для измерения приближения из-за их непрерывного линейного выхода.

С другой стороны, датчики цифрового выхода обеспечивают только два состояния выхода: «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Датчики этого типа имеют дополнительный элемент, как показано на принципиальных схемах. Это триггер Шмитта, который обеспечивает гистерезис или два разных пороговых уровня, поэтому выходной сигнал может быть высоким или низким. Для получения более подробной информации о том, как работает триггер Шмитта, вы можете проверить это в моем конкретном руководстве.

Примером датчика этого типа является переключатель на эффекте Холла. Они часто используются в качестве концевых выключателей, например, в 3D-принтерах и станках с ЧПУ, а также для обнаружения и позиционирования в системах промышленной автоматизации.

Другие современные применения этих датчиков — измерение скорости вращения колеса / ротора или оборотов в минуту, а также определение положения коленчатого или распределительного вала в системах двигателя. Эти датчики состоят из элемента Холла и постоянного магнита, которые расположены рядом с зубчатым диском, прикрепленным к вращающемуся валу.

Зазор между датчиком и зубьями диска очень мал, поэтому каждый раз, когда зуб проходит рядом с датчиком, он изменяет окружающее магнитное поле, в результате чего выходной сигнал датчика становится высоким или низким. Таким образом, выходной сигнал датчика представляет собой прямоугольный сигнал, который можно легко использовать для расчета числа оборотов вращающегося вала.

A3144 Распиновка датчика Холла, работа, альтернативы и техническое описание

Конфигурация контактов

Номер:

Имя контакта

Описание

1

+ 5 В (Vcc)

Используется для питания датчика Холла, обычно используется + 5В

2

Земля

Подключить к земле цепи

3

Выход

Этот вывод становится высоким, если обнаружен магнит.Выходное напряжение равно рабочему напряжению.

Датчик Холла Технические характеристики
  • Датчик Холла с цифровым выходом
  • Рабочее напряжение: от 4,5 В до 28 В (обычно 5 В)
  • Выходной ток: 25 мА
  • Может использоваться для обнаружения обоих полюсов магнита
  • Выходное напряжение равно рабочему напряжению
  • Рабочая температура: от -40 ° C до 85 ° C
  • Время включения и выключения — 2 мкс каждое
  • Встроенная защита от обратной полярности
  • Подходит для автомобильного и промышленного применения

Примечание. Чтобы узнать, почему эти параметры важны, читайте дальше.Также внизу страницы

можно найти техническое описание датчика Холла A3144 .

Альтернативные цифровые датчики на эффекте Холла

A3141, A3142, A3143, US1881, OH090U

Другие аналоговые датчики на эффекте Холла

A1321, A1302, SS495B, ASC712

Где использовать датчик Холла

Датчик Холла , как следует из названия, работает по принципу эффекта Холла и используется для обнаружения магнитов.Каждая сторона датчика может обнаруживать один конкретный полюс. Его также можно легко подключить к микроконтроллеру, поскольку он работает на транзисторной логике.

Итак, если вы ищете датчик для обнаружения магнита для измерения скорости движущегося объекта или просто для обнаружения объектов, то этот датчик может быть идеальным выбором для вашего проекта.

Как использовать датчик Холла

Существует два основных типа датчика Холла : один дает аналоговый выход, а другой — цифровой. A3144 — датчик Холла с цифровым выходом. Это означает, что при обнаружении магнита выходной сигнал будет низким, в противном случае выходной сигнал останется высоким. Также обязательно использовать подтягивающий резистор, как показано ниже, чтобы поддерживать высокий выход, когда магнит не обнаружен.

На приведенной выше принципиальной схеме резистор R1 (10 кОм) используется в качестве подтягивающего резистора, а конденсатор C1 (0,1 мкФ) используется для фильтрации любого шума, который может быть связан с цифровым выходом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *