Применение датчиков Холла

В 1879 году, работая над своей докторской диссертацией в университете Джонса Хопкинса, американский физик Эдвин Герберт Холл проводил эксперимент с золотой пластинкой. Он пропускал по пластинке ток, разместив саму пластинку на стекле, причем дополнительно пластинка была подвергнута действию магнитного поля, направленного перпендикулярно ее плоскости, и, соответственно, перпендикулярно току.

Справедливости ради следует отметить, что Холл занимался в тот момент решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, по которой течет ток, от наличия рядом с ней постоянного магнита, и в рамках этой работы ученым были проведены тысячи опытов. В результате же эксперимента с золотой пластинкой было обнаружено возникновение некоторой разности потенциалов на боковых краях пластинки.

Это напряжение получило название напряжения Холла . Можно грубо описать процесс следующим образом: сила Лоренца приводит к накоплению отрицательного заряда возле одного края пластинки, и положительного — возле противоположного края. Отношение же возникающего напряжения Холла к величине продольного тока, является характеристикой материала, из которого изготовлен конкретный элемент Холла, и эта величина получила название «холловское сопротивление».

Эффект Холла служит достаточно верным методом определения типа носителей заряда (дырочный или электронный) в полупроводнике или металле.

На основе эффекта Холла теперь изготавливают датчики Холла , приборы для измерения напряженности магнитного поля и определения силы тока в проводнике. В отличие от трансформаторов тока, датчики Холла дают возможность измерять и постоянный ток. Таким образом, области применения датчика Холла в целом весьма обширны.

Так как напряжение Холла мало, вполне логично, что к выводам напряжения Холла подключают операционный усилитель. Для подключения к цифровым узлам, схему дополняют триггером Шмита, и получается пороговое устройство, которое срабатывает при заданном уровне напряженности магнитного поля. Такие схемы называют переключателями Холла.

Часто датчик Холла используется в паре с постоянным магнитом, и срабатывание происходит при приближении постоянного магнита к датчику на определенное, заданное заранее расстояние.

Довольно широко распространены датчики Холла в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах), где датчики устанавливаются прямо на статоре двигателя и играют роль датчика положения ротора (ДПР), который обеспечивает обратную связь по положению ротора, примерно как коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока.

Закрепив постоянный магнит на валу, получим простой счетчик оборотов, а иногда достаточно экранирующего воздействия самой ферромагнитной детали на магнитный поток от постоянного магнита. Магнитный поток, от которого обычно срабатывают датчики Холла, составляет 100-200 Гауссов.

Выпускаемые современной электронной промышленностью, трехвыводные датчики Холла имеют в своем корпусе n-p-n транзистор с открытым коллектором. Зачастую ток через транзистор такого датчика не должен превышать 20 мА, поэтому для подключения мощной нагрузки необходимо устанавливать усилитель тока.

Магнитное поле проводника с током, обычно, недостаточно интенсивное для срабатывания датчика Холла, поскольку чувствительность таких датчиков составляет 1-5 мВ/Гс, и поэтому для измерения слабых токов проводник с током навивают на тороидальный сердечник с зазором, а в зазор уже устанавливают датчик Холла. Так при зазоре в 1,5 мм магнитная индукция составит уже 6 Гс/А.

Для измерения токов более 25 А, проводник с током пропускают прямо через тороидальный сердечник. Материалом сердечника может служить альсифер или феррит, если измеряется ток высокой частоты.

На основе эффекта Холла работают некоторые ионные реактивные двигатели, и работают весьма эффективно.

На базе эффекта Холла работают электронные компасы в современных смартфонах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Датчики – преобразователи одной физической величины в другую (обычно, в электрическую) широко распространены в бытовой и промышленной технике. Без них очень трудно, а то и невозможно, измерять, оцифровывать и обрабатывать такие технологические параметры, как давление и расход (газа или жидкости), температуру, уровень, напряженность магнитного или электрического полей и т.д. Одним из широко распространенных датчиков является датчик Холла – они используется как в быту (начиная со смартфонов или ноутбуков), так и в самой сложной промышленной технике.

Эффект Холла — принцип работы

Этот эффект открыт в 1879 году американским физиком Эдвином Холлом и назван его именем. Суть явления состоит в том, что если взять металлическую пластину и пропустить через неё электрический ток (в направлении АВ на рисунке), а потом подействовать на пластину магнитным полем, например, создаваемым постоянным магнитом, то в направлении, перпендикулярном прохождению тока (CD на рисунке), возникнет разность потенциалов.

Этот эффект возникает за счет силы Лоренца, воздействующей на движущиеся заряды и смещающей их в направлении, перпендикулярном направлению движения. В итоге на краях пластины возникает разность потенциалов, которую можно измерить или применить для срабатывания исполнительных механизмов (предварительно усилив). Эта разность зависит:

• от силы протекающего тока;
• от напряженности магнитного поля;
• от концентрации свободных носителей заряда в проводнике.

Явление названо в честь его открывателя – эффектом Холла.

Виды и устройство датчиков Холла

Открытому ещё в позапрошлом веке эффекту нашлось практическое применение. На его основе строят датчики магнитного поля. Их достоинство состоит в том, что они не имеют подвижных и трущихся элементов (в отличие от герконов), поэтому их надежность намного выше. По принципу чувствительности промышленные датчики Холла делятся на:

• униполярные (реагируют только на один магнитный полюс – северный или южный);
• биполярные (включаются при воздействии магнитного поля одной полярности, выключаются при воздействии магнитного поля противоположной полярности);
• омниполярные – реагируют на любые полюсы магнитов.

Разность потенциалов, создаваемая при воздействии магнитного поля на движущиеся заряды, составляет единицы, в лучшем случае десятки микровольт. Для практического применения этого мало, разность потенциалов надо усилить. Эти усилители встраивают прямо в корпус датчиков, и по типу усилителя устройства делятся на два класса.

1. Аналоговые. В них напряжение на выходе датчика пропорционально магнитному полю (зависит от силы магнита и расстояния от него). Построены на базе операционного усилителя и служат для измерения магнитных полей.
2. Цифровые. После усилителя установлен компаратор или триггер Шмитта. Напряжение на выходе при достижении магнитной индукции определенного порога скачком изменяется от нуля до высокого уровня (обычно до уровня напряжения питания). Такие датчики используют для построения магнитных реле или генераторов импульсов. Усиленный сигнал от пластины подается на пороговое устройство. При достижении установленного уровня датчик срабатывает. Уровень срабатывания можно настроить изменением расстояния от датчика до источника магнитного поля.

Применение датчиков Холла

Самое распространенное применение датчика Холла в быту – бесконтактные системы зажигания автомобиля. Их преимущество – отсутствие механических контактных групп. Это означает отсутствие износа, подгорания контактов, риска механической поломки.

Система распределения содержит пластину с выступами, приводимую во вращение от коленвала двигателя, постоянный магнит и собственно датчик Холла. При вращении пластины выступы в строго определенный момент, определяемый положением коленвала, попадают в зазор между датчиком и магнитом, изменяя параметры магнитного поля. Датчик формирует импульсы, синхронизированные с вращением коленчатого вала, которые регулируют подачу напряжения на высоковольтную катушку в необходимые моменты времени. Также датчики магнитного поля в автомобиле служат для распознавания положения коленвала.

Другое использование магниточувствительных датчиков – определение положения роторов электродвигателей. Релейный элемент крепится на статоре мотора и срабатывает при прохождении полюса. На этом принципе можно построить счетчик оборотов или измеритель частоты вращения.

Устройства, построенные на эффекте Холла, применяются в ноутбуках или мобильных устройствах – как индикатор закрытого положения крышки. При срабатывании датчика компьютер переходит в режим сна или выключается. А в смартфонах одна из функций датчика, реагирующего на магнитное поле Земли – организация работы электронного компаса.

Аналоговые датчики Холла применяются в измерительных приборах – там, где надо оценить уровень магнитного поля. Незаменимы они при бесконтактном измерении силы тока в проводнике. Как известно, при прохождении тока по проводнику, вокруг него возникает магнитное поле. Его напряженность зависит от силы тока. Если ток переменный, то поле можно измерить другими способами (например, трансформатором тока), а вот при постоянном токе без датчика Холла не обойтись. На таком принципе работают токоизмерительные клещи постоянного тока.

Самое же экзотическое применение эффекта Холла – построение на его принципе двигателей ионных ракет.

Как проверить датчика Холла на работоспособность

Для проверки датчика можно собрать несложную схему, для которой, кроме самого датчика, понадобятся:

• источник питания на нужное напряжение;
• резистор сопротивлением около 1 кОм;
• светодиод;
• магнит.

Если светодиода нет, то вместо него (и токоограничивающего резистора) можно использовать мультиметр (цифровой или стрелочный) в режиме измерения напряжения.

К источнику питания особых требований не предъявляется – токи в схеме совсем небольшие. Его напряжение должно быть в пределах напряжения питания проверяемого датчика. Светодиод подключается анодом к плюсу источника напряжения, катодом к выходу проверяемого устройства, так как датчик обычно выполняется с открытым коллектором (но лучше проверить по даташиту).

Порядок проверки зависит от типа тестируемого устройства.

1. Чтобы проверить униполярный цифровой датчик, надо поднести к нему магнит одним полюсом. Светодиод должен загореться (отклониться стрелка стрелочного вольтметра или измениться скачком показания цифрового тестера). При удалении магнита на значительное расстояние схема должна прийти в исходное положение. Если датчик не сработал, надо перевернуть магнит другим полюсом и повторить процедуру. Если светодиод вспыхнул, значит, датчик исправен. Если успеха добиться не удалось ни в одном положении магнита, устройство к работе непригодно.
2. Биполярный цифровой датчик проверяется по похожей методике, только светодиод загорается при одном положении магнита, и не гаснет при удалении источника магнитного поля. На дальнейшие манипуляции тем же полюсом схема реагировать не должна. Если перевернуть магнит и поднести его к датчику в противоположной полярности, то светодиод должен погаснуть. Это говорит об исправности проверяемого устройства. Если схема работает не так, значит, датчик вышел из строя.
3. Омниполярный цифровой датчик Холла проверяется таким же образом, как и униполярный, но срабатывать магниточувствительное устройство должно при любом положении магнита.

Аналоговые датчики проверяются по той же методике, что и цифровые, но напряжение на выходе должно меняться не скачком, а плавно по мере возрастания магнитной силы (например, приближения постоянного магнита или увеличения тока в обмотке электромагнита).

С практической стороны интересен вопрос, как проверить датчик Холла, установленный в системе бесконтактного зажигания автомобиля. Для этого надо снять разъем с датчика и собрать указанную схему прямо на штырьках.

Здесь также светодиод можно заменить мультиметром. Проворачивая коленвал автомобиля вручную, можно наблюдать периодические вспышки LED или изменения выходного напряжения от нуля до приблизительно напряжения бортсети авто. Альтернативный способ проверки в гаражных условиях – временная замена устройства на заведомо исправный запасной датчик.

Датчик Холла нашел широкое применение в бытовой и промышленной технике. Проверить его на исправность несложно, если есть понимание принципа его работы.

Что такое герконовый датчик и где он применяется?

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Источник