Датчик холла устройство и принцип работы: что это, как работает, где применяется, схема

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

Главная » Виды датчиков

Содержание

1. Что такое датчик Холла
2. Какие бывают типы датчиков Холла
3. Применение датчиков Холла
4. Датчик Холла или геркон?

Что такое датчик Холла

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

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

датчик Холла

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

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

клещи для измерения тока

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

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

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

датчик с эффектом Холла

Подразделяются такие датчики на три вида:

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

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

сенсор Холла с выводами

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

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

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

умный чехол для смартфона

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

Arduino с датчиком Холла

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

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

Датчик Холла или геркон?

Датчик Холла — назначение и принцип действия

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

Назначение датчика Холла

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).

Устройство датчика Холла. на примере трамблера системы зажигания карбюраторного двигателя автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

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.

— Подробно о неисправностях датчика Холла — «Признаки неисправности датчика Холла».

— Самостоятельно снимаем Датчик Холла — «Как своими силами снять и заменить датчик Холла?».

Еще статьи по датчикам автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

— Проверка датчика Холла

— Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости автомобилей ВАЗ 21083, 21093, 21099

— Принцип действия бесконтактной системы зажигания

— Схема «устройство датчика кислорода ЭСУД ВАЗ 21083, инжектор»

— Датчик давления масла ВАЗ 2108, 2109, 21099

— Датчик уровня топлива ВАЗ 2108, 2109, 21099

Подписывайтесь на нас!

Автор MechanikОпубликовано 25. 02.201921.07.2022Рубрики Принцип действия, Система зажигания автомобиля ВАЗ 2108, 2109, 21099Метки датчик, действия, назначение, принцип, Холла 11 610 views

Принцип работы, преимущества и области применения

Содержание

• Что такое датчик Холла?
• Как работает датчик Холла: принцип работы
• Преимущества и ограничения датчиков Холла
• Применение датчиков Холла

Что такое датчик Холла?

Датчик Холла представляет собой тип твердотельного магнитного датчика, который может обнаруживать наличие и величину магнитного поля. Выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально напряженности магнитного поля.

В этой статье рассказывается о принципе работы датчика Холла, его преимуществах и применении.

Материалы

Вот список полупроводниковых материалов, которые мы можем использовать для производства датчиков Холла.

1. Арсенид галлия (GAAS)
2. Графен
3. Индий -фосфид (INP)
4. Индий -арсенид арсенид (INAS)

Зал Пробье

Проблем зала склоняется к эффективности калиброванного зала.

Принцип работы датчика Холла

Датчик Холла состоит из прямоугольного полупроводника p-типа.

В активном режиме через полупроводник всегда проходит непрерывный ток. Этот непрерывный ток приводит к движению электронов по прямой линии.

В присутствии магнитного поля движущиеся электроны в полупроводнике отклоняются от прямой из-за силы Лоренца. Степень движения электронов зависит от силы магнитного поля.

Движение электронов создает разность потенциалов внутри полупроводникового материала.

Разность потенциалов ∝ Непрерывный электрический ток и напряженность магнитного поля

Таким образом, датчик Холла определяет наличие и напряженность магнитного поля путем измерения разности потенциалов на полупроводниковом материале.

Южный полюс магнита рядом с датчиком Холла создает разность потенциалов, тогда как северный полюс не вызывает разности потенциалов.

Преимущества и недостатки датчиков Холла

Преимущества

• Низкая стоимость.
• Может определять величину и ориентацию магнитного поля.
• Бесконтактный режим.
• Низкие эксплуатационные расходы.
• Невосприимчивость к вибрации, пыли и воде.

Ограничения

• Требуется непрерывный входной ток
• Мы не можем использовать магнитные датчики при наличии внешнего магнитного поля

Применение датчиков Холла

Датчики Холла имеют различные применения для определения положения, приближения, направленного движения, определения скорости и тока. Вот список приложений датчиков холла.

Двоичный переключатель

MLX92242 Программируемый датчик Холла

Датчики Холла с определением порога могут работать как двоичные переключатели. Они применяются в пневматических цилиндрах, обнаруживают недостающую бумагу в принтерах, обнаруживают Airpods в корпусе зарядного устройства и т. д.

Щелкните эту ссылку для получения дополнительной информации о программируемом переключателе Холла MLX92242.

Автомобильные приложения

Индикатор уровня топлива Датчик положения дроссельной заслонки Vishay

Датчики Холла используются в автомобильных устройствах для определения положения, расстояния и скорости. Вот список применений датчиков Холла в автомобилях.

• Индикаторы уровня топлива.
• Измерение положения дроссельной заслонки
• Электронное рулевое управление
• Датчики Холла определяют угол опережения зажигания в двигателях внутреннего сгорания.
• В ABS (антиблокировочная тормозная система)
• Определите положение автокресла для управления подушкой безопасности.
• Определение скорости вращения колеса

Трансформатор постоянного тока

Мы можем использовать датчики Холла для бесконтактного измерения постоянного тока путем измерения постоянного магнитного потока.

В смартфонах

Используются в смартфонах для блокировки экрана, когда мы откидываем крышку смартфона, оснащенную магнитами.

В бесщеточных двигателях постоянного тока:

Датчик Холла в бесщеточном двигателе постоянного тока

Датчики Холла используются в бесщеточных двигателях постоянного тока для определения положения постоянного магнита.

Мы будем продолжать добавлять дополнительную информацию о датчиках Холла и их применении. Пожалуйста, добавьте свои предложения, комментарии или вопросы в поле для комментариев.

Принцип работы датчика Холла — руководство по электротехнике

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

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

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

Характеристики датчиков Холла 

Основные характеристики датчиков Холла можно описать следующим образом.

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

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

Рисунок 1

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

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

Чувствительность (или усиление): А Чувствительность датчика Холла можно охарактеризовать двумя способами

1. Вольт на единицу магнитного поля, на единицу тока смещения: В/(В × I), В ⋅ Тл ^-1 ⋅ А ^-1
2. Вольт на единицу магнитного поля, на единицу напряжения смещения: В/(В × В), В ⋅ Тл ^-1 ⋅ В ^-1

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

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

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

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

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

Рисунок 2. Простая система датчика Холла.

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

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

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

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

При использовании датчиков Холла следует учитывать следующее:

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

Типы датчиков Холла

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

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

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

РИСУНОК 4. Вертикальный датчик Холла

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

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

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

(a) — базовый одномерный (1D) VHS;

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

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

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

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

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

Чувствительность этого цилиндрического датчика Холла может достигать 2000 В ⋅ А ⁻¹ ⋅ Т ⁻¹ благодаря встроенным концентраторам магнитного потока. Его разрешение составляет 70 нТл.

РИСУНОК 7

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

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

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

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

Применение датчиков Холла 

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

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

РИСУНОК 8

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

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

РИСУНОК 9 Расходомер с двумя датчиками Холла.

Расходомер: Датчики Холла также можно использовать для измерения расхода (см.