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?

устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

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

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

История создания прибора

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

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

Сегодня датчики используются:

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

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

Конструктивные особенности

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

Виды устройств

Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля. Существуют датчики двух видов:

• цифровые;
• аналоговые.

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

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

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

Применение датчика

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

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

Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла

, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.

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

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

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

Использование сенсоров в смартфонах

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

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

Преобразователь Холла в гаджетах выполняет следующие полезные функции:

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

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

Что такое эффект Холла и как работают датчики Холла

В этом уроке мы узнаем, что такое эффект Холла и как работают датчики Холла. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Обзор

Эффект Холла является наиболее распространенным методом измерения магнитного поля, датчики на эффекте Холла очень популярны и имеют множество современных применений. Например, их можно найти в транспортных средствах в качестве датчиков скорости вращения колес, а также датчиков положения коленчатого или распределительного вала. Также они часто используются в качестве переключателей, компасов MEMS, 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 пропускаем через нее ток, носители заряда будут течь по прямой линии от одной стороны пластины к другой.

Теперь, если мы поднесем некоторое магнитное поле к пластине, мы нарушим прямолинейный поток носителей заряда из-за силы, называемой силой Лоренца (Википедия). В таком случае электроны отклонятся к одной стороне пластины, а положительные дырки — к другой стороне пластины. Это означает, что если мы сейчас поместим метр между двумя другими сторонами, мы получим некоторое напряжение, которое можно измерить.

Таким образом, эффект получения измеряемого напряжения, как мы объяснили выше, называется эффектом Холла в честь Эдвина Холла, который открыл его в 1879 году. маленькое напряжение всего несколько микровольт на гаусс, поэтому эти устройства обычно изготавливаются со встроенными усилителями с высоким коэффициентом усиления.

Существует два типа датчиков Холла, один с аналоговым, а другой с цифровым выходом. Аналоговый датчик состоит из регулятора напряжения, элемента Холла и усилителя. Из принципиальных схем видно, что выходной сигнал датчика является аналоговым и пропорциональным выходному сигналу элемента Холла или напряженности магнитного поля. Датчики этого типа подходят и используются для измерения близости из-за их непрерывного линейного выходного сигнала.

С другой стороны, датчики с цифровым выходом 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 либо высокий, либо низкий. Для получения более подробной информации о том, как работает триггер Шмитта, вы можете проверить мой специальный учебник для этого.

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.

Другими современными приложениями этих датчиков являются измерение частоты 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 размещаются 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, изменяется окружающее магнитное поле, что приводит к повышению или понижению выходного сигнала датчика. Таким образом, выходной сигнал датчика представляет собой сигнал прямоугольной формы, который можно легко использовать для расчета числа оборотов вращающегося вала.

Рубрики Электротехника

Основные сведения о датчиках Холла

Датчик Холла представляет собой датчик магнитного поля, выполненный на основе эффекта Холла. Эффект Холла — разновидность магнитоэлектрического эффекта. Это явление было открыто Холлом (А. Х. Холл, 1855-1938) в 1879 г. при изучении механизма проводимости металлов.

Каталог

 

Ⅰ Введение

Датчик Холла представляет собой датчик магнитного поля, выполненный на основе эффекта Холла. Эффект Холла — разновидность магнитоэлектрического эффекта. Это явление было открыто Холлом (А. Х. Холл, 1855-1938) в 1879 г. при изучении механизма проводимости металлов. Позже было обнаружено, что полупроводники, проводящие жидкости и т. д. также обладают этим эффектом, причем эффект Холла у полупроводников гораздо сильнее, чем у металлов. Различные элементы Холла, изготовленные с использованием этого явления, широко используются в технике промышленной автоматизации, технологии обнаружения, обработки информации и т. д. Эффект Холла является основным методом изучения характеристик полупроводниковых материалов. Коэффициент Холла, измеренный в эксперименте с эффектом Холла, может определять важные параметры, такие как тип проводимости, концентрация носителей и подвижность носителей в полупроводниковых материалах.

Ⅱ Как работает датчик Холла?

В соответствии с принципом эффекта Холла величина потенциала Холла зависит от Rh, постоянной Холла, которая связана с полупроводниковым материалом; I — ток смещения элемента Холла; B — напряженность магнитного поля; d, толщина полупроводникового материала.

Для данного устройства Холла, когда ток смещения I фиксирован, UH будет полностью зависеть от измеренной напряженности магнитного поля B.

Элемент Холла обычно имеет четыре вывода, два из которых являются входными выводами тока смещения I элемента Холла, а два других являются выводами напряжения Холла. Если две выходные клеммы образуют внешнюю петлю, будет генерироваться ток Холла. Вообще говоря, настройка тока смещения обычно задается внешним источником опорного напряжения. Если требования к точности высоки, источник опорного напряжения заменяется источником постоянного тока. Для достижения высокой чувствительности некоторые элементы Холла снабжены сплавами с покрытием с высокой магнитной проницаемостью; потенциал Холла датчика этого типа велик, но насыщение происходит около 0,05 Тл.

 

Рис.1. Эффект Холла

К обоим концам листа полупроводника прикладывают управляющий ток I, а в вертикальном направлении листа прикладывают однородное магнитное поле с силой магнитной индукции B, затем прикладывают напряжение Холла с разностью потенциалов UH будет генерироваться в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю.

Полупроводниковая микросхема Холла находится в магнитном поле, и постоянный ток I проходит от А к В через микросхему. Под действием силы Лоренца поток электронов I смещается в одну сторону при прохождении через холловский полупроводник, вызывая разность потенциалов листа в направлении CD, которая представляет собой так называемое холловское напряжение.

Напряжение Холла изменяется в зависимости от силы магнитного поля. Чем сильнее магнитное поле, тем выше напряжение. Чем слабее магнитное поле, тем ниже напряжение. Напряжение Холла очень мало, обычно всего несколько милливольт, но оно усиливается усилителем в интегральной схеме. Напряжение может быть достаточно усилено, чтобы выводить более сильный сигнал. Если в качестве датчика используется ИС Холла, требуется механический способ изменения интенсивности магнитной индукции. Метод, показанный на рисунке ниже, использует вращающуюся крыльчатку в качестве переключателя для управления магнитным потоком. Когда лопасть крыльчатки находится в воздушном зазоре между магнитом и ИС Холла, магнитное поле отклоняется от встроенного чипа и исчезает напряжение Холла. Таким образом, изменение выходного напряжения ИС Холла может указывать на определенное положение приводного вала крыльчатки. Используя этот принцип работы, микросхема Холла может использоваться в качестве датчика опережения зажигания. Датчик Холла является пассивным датчиком. Для работы требуется внешний источник питания. Эта функция позволяет обнаруживать работу на низкой скорости.

 

Рис.2. Датчик на эффекте Холла

1- Элемент из полупроводниковых материалов Холла 2- Постоянный магнит 3- Лезвие, блокирующее линию магнитного поля

Ⅲ Эффект Холла

Приложение магнитного поля, перпендикулярного направлению тока в полупроводнике, вызовет электроны и дырки в полупроводнике собираться в разные стороны под действием силы Лоренца в разные стороны, и между скопившимися электронами и дырками будет генерироваться электрическое поле. После того, как сила уравновесится с силой Лоренца, она больше не собирается. В это время электрическое поле будет подвергать последующие электроны и дырки силе электрического поля и уравновешивать силу Лоренца, создаваемую магнитным полем. Отверстия могут проходить плавно без смещения, это явление называется эффектом Холла. Генерируемое встроенное напряжение называется напряжением Холла.

Эффект Холла особенно важен в прикладной технике. Холл обнаружил, что если к проводнику (d), находящемуся в магнитном поле (В), приложить ток (Iv), то направление магнитного поля перпендикулярно направлению приложенного напряжения, то оно одновременно перпендикулярно магнитному поля и перпендикулярно направлению приложенного тока Другое напряжение (UH) будет генерироваться в направлении. Напряжение называется напряжением Холла. Это явление называется эффектом Холла. Это как дорога. Все равномерно распределились по дороге и двинулись вперед. Когда есть магнитное поле, всех может оттолкнуть вправо от дорожки. По обеим сторонам дороги (проводника) будет разность напряжений. Это называется «эффектом Холла». Устройство Холла, выполненное на эффекте Холла, должно использовать магнитное поле в качестве рабочей среды для преобразования параметров движения объекта в форму цифрового выходного напряжения, чтобы оно имело функции восприятия и переключения.

К устройствам Холла, которые до настоящего времени широко применялись в современных автомобилях, относятся датчики сигналов на распределителях, датчики скорости в системах АБС, автомобильные спидометры и одометры, детекторы физических величин жидкости и токов различных электрических нагрузок, обнаружение и диагностика условий работы, датчики частоты вращения и угла поворота коленчатого вала, различные переключатели и т. д.

Ⅳ Классификация датчиков Холла

Датчики Холла делятся на линейные датчики Холла и переключают датчики Холла .

(1) Датчик Холла импульсного типа состоит из регулятора напряжения, элементов Холла, дифференциального усилителя, триггера Шмитта и выходного каскада, который выводит цифровую величину. Существует также специальная форма датчика Холла переключающего типа, называемая датчиком Холла замкового типа.

(2) Линейный датчик Холла состоит из элементов Холла, линейного усилителя и эмиттерного повторителя, который выдает аналоговую величину.

Линейные датчики Холла можно разделить на датчики с разомкнутым и замкнутым контуром. Датчик Холла с замкнутым контуром также называют датчиком Холла с нулевым потоком. Линейные датчики Холла в основном используются для измерения переменного и постоянного тока и напряжения.

1. Тип переключателя

Как показано на рисунке 3, где Bnp — интенсивность магнитной индукции в рабочей точке «включено», а BRP — интенсивность магнитной индукции в точке срабатывания «выключено». Когда приложенная интенсивность магнитной индукции превышает точку действия Bnp, датчик выдает низкий уровень. Когда интенсивность магнитной индукции падает ниже точки действия Bnp, уровень выходного сигнала датчика не изменяется, и датчик будет переходить от низкого уровня до тех пор, пока не упадет до точки отпускания BRP до высокого уровня. Гистерезис между Bnp и BRP делает действие переключения более надежным.

 

Рис.3. Тип переключателя Датчик Холла

2. Тип ключа

Как показано на рисунке 4, когда интенсивность магнитной индукции превышает рабочую точку Bnp, выходной сигнал датчика изменяется с высокого уровня на низкий уровень. После отмены внешнего магнитного поля его выходное состояние остается неизменным (т. е. запертое состояние), и только когда интенсивность магнитной индукции достигает BRP, уровень можно изменить.

 

Рис.4. Ключевой датчик Холла

 

3. Линейный тип

Выходное напряжение имеет линейную зависимость от напряженности приложенного магнитного поля. Как показано на рисунке 5, видно, что существует хорошая линейность в диапазоне интенсивности магнитной индукции от B1 до B2. Когда интенсивность магнитной индукции превышает этот диапазон, происходит насыщение.

 

Рис.5. Датчик Холла линейного типа

4. Датчик тока без обратной связи

Поскольку внутри соленоида, находящегося под напряжением, существует магнитное поле, его величина пропорциональна току в проводе, поэтому датчик на эффекте Холла можно использовать для измерения магнитного поля, чтобы определить силу тока в проводе. Используя этот принцип, можно спроектировать и изготовить датчик тока Холла. Преимущество датчика Холла в том, что он не имеет электрического контакта с тестируемой цепью. Таким образом, он не влияет на тестируемую цепь и не потребляет мощность тестируемого источника питания и особенно подходит для измерения больших токов.

Принцип работы датчика тока Холла показан на рисунке. Стандартный кольцевой сердечник имеет зазор. Вставьте датчик Холла в зазор. Кольцо намотано катушкой. Когда ток проходит через катушку, создается магнитное поле, и датчик Холла имеет выходной сигнал.

5. Датчик тока с обратной связью

Датчик тока магнитного баланса также называется датчиком тока с обратной связью Холла, также известным как компенсационный датчик. Магнитное поле, создаваемое измеренным током Ip основного контура на магнитном кольце, проходит через вторичную катушку, так что датчик Холла находится в рабочем состоянии обнаружения нулевого магнитного потока.

Конкретный рабочий процесс датчика тока магнитного баланса: когда ток проходит через основной контур, магнитное поле, генерируемое на проводе, собирается магнитным кольцом и индуцируется на устройстве Холла, а генерируемый выходной сигнал используется управлять соответствующей силовой лампой, чтобы получить компенсационный ток Is. Затем этот ток создает магнитное поле через многовитковую обмотку, которое прямо противоположно магнитному полю, создаваемому измеряемым током, тем самым компенсируя исходное магнитное поле и постепенно уменьшая выходную мощность устройства Холла. Когда магнитное поле, создаваемое путем умножения Ip и числа витков, равно, Is больше не увеличивается, и прибор Холла в это время играет роль указателя нулевого магнитного потока, который может быть уравновешен Is. Любое изменение измеряемого тока нарушит этот баланс. Как только магнитное поле выходит из равновесия, устройство Холла имеет выходной сигнал. Сразу после усиления мощности через вторичную обмотку протекает соответствующий ток для компенсации неуравновешенного магнитного поля. Время, необходимое от дисбаланса магнитного поля до восстановления равновесия, теоретически составляет менее 1 мкс, что является процессом динамической балансировки.

 

Рис.6. Датчик тока с обратной связью

Ⅴ Преимущества датчика Холла

1. Датчики Холла могут измерять произвольные формы сигналов тока и напряжения, такие как сигналы постоянного, переменного и импульсного тока, и даже переходные пики. Вторичный ток точно отражает форму волны первичного тока. Обычный трансформатор бесподобен, он подходит только для измерения синусоиды 50 Гц;

2. Между первичной и вторичной цепями имеется хорошая электрическая изоляция, и напряжение изоляции может достигать 9 В.600 В среднекв.;

3. Высокая точность: точность лучше 1% в диапазоне рабочих температур, что подходит для измерения сигналов любой формы;

4. Хорошая линейность: лучше 0,1%;

5. Широкая полоса пропускания: время нарастания широкополосного датчика тока может быть менее 1 мкс; однако полоса пропускания датчика напряжения узкая, как правило, в пределах 15 кГц, время нарастания высоковольтного датчика напряжения 6400 В среднеквадратичного значения составляет около 500 мкс, а полоса пропускания составляет около 700 Гц.

6. Диапазон измерения: Датчики Холла являются серийными продуктами, измерение тока может достигать 50 кА, измерение напряжения может достигать 6400 В.

Ⅵ Применение датчика Холла

1. Технология датчика Холла, используемая в автомобильной промышленности. антиблокировочные тормозные системы. Чтобы удовлетворить потребности различных систем, датчики на эффекте Холла бывают трех типов: переключающие, аналоговые и цифровые датчики.

Датчики на эффекте Холла могут быть изготовлены из металлов, полупроводников и т. д. Качество эффекта Холла зависит от материала проводника, который напрямую влияет на положительные ионы и электроны, протекающие через датчик. При производстве элементов Холла в автомобильной промышленности обычно используются три полупроводниковых материала, а именно арсенид галлия, антимонид индия и арсенид индия. Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является арсенид индия.

Форма датчика Холла определяет отличие схемы усилителя, и его выход должен быть адаптирован к управляемому устройству. Этот выход может быть аналоговым, например датчик положения ускорения или датчик положения дроссельной заслонки, или цифровым, например датчик положения коленчатого или распределительного вала.

Когда элемент Холла используется для аналогового датчика, этот датчик можно использовать в качестве термометра в системе кондиционирования воздуха или датчика положения дроссельной заслонки в системе управления мощностью. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а усилитель подключен к транзистору NPN. Магнит закреплен на вращающемся валу. При вращении вала магнитное поле на элементе Холла усиливается. Напряжение Холла, которое он производит, пропорционально силе магнитного поля.

Когда элемент Холла используется для цифровых сигналов, таких как датчик положения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала или датчик скорости автомобиля, сначала необходимо изменить цепь. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а дифференциальный усилитель подключен к триггеру Шмитта. В этой конфигурации датчик выдает сигнал включения или выключения. В большинстве автомобильных цепей датчики на эффекте Холла являются поглотителями тока или сигнальными цепями заземления. Для этого к выходу триггера Шмитта необходимо подключить NPN-транзистор. Магнитное поле проходит через элемент Холла, а лопасть на спусковом колесе проходит между магнитным полем и элементом Холла.

2. Датчик Холла, установленный на таксометре

Применение датчика Холла на таксометре: сигнал, обнаруженный датчиком Холла A44E, установленным на колесе, отправляется на однокристальный микрокомпьютер. После обработки и расчета, и отправляется на блок отображения, тем самым завершая расчет пробега. Порт P3.2 используется как входной терминал сигнала, а внешнее прерывание 0 используется внутри. Каждый раз, когда колесо поворачивается (окружность колеса составляет 1 м), датчик Холла обнаруживает и выдает сигнал, вызывающий прерывание работы микроконтроллера. Когда подсчет импульсов достигает 1000 раз, то есть 1 км, однокристальный микрокомпьютер автоматически увеличивает количество импульсов.

Всякий раз, когда датчик Холла выдает сигнал низкого уровня, микроконтроллер прерывается один раз. Когда счетчик пробега подсчитывает импульсы пробега 1000 раз, программа накапливает текущую сумму, и микрокомпьютер входит в сервисную программу прерывания подсчета пробега. В этой программе необходимо выполнить операцию накопления текущего пробега и общей суммы и сохранить результат в регистре пробега и общей суммы.

3. Датчик тока Холла, используемый в преобразователе частоты

Магнитное поле индуцируется вокруг провода, по которому течет ток, а затем используется прибор Холла для обнаружения магнитного поля, индуцируемого током, и может быть измерена величина тока, который создает это магнитное поле. Таким образом, можно сконструировать датчики тока и напряжения Холла. Поскольку выходное напряжение устройства Холла пропорционально произведению приложенной к нему магнитной индукции и протекающего через него рабочего тока, это устройство с функцией умножения может быть напрямую связано с различными логическими схемами, а также напрямую приводные нагрузки различной природы. Поскольку принцип применения устройства Холла прост, обработка сигналов удобна, а само устройство имеет ряд уникальных преимуществ, оно также играет очень важную роль в инверторе.

В преобразователях частоты основная роль датчиков тока Холла заключается в защите дорогих мощных транзисторов. Поскольку время отклика датчика тока Холла меньше 1 мкс, когда происходит короткое замыкание при перегрузке, питание может быть отключено до того, как транзистор достигнет предельной температуры.

Датчик тока Холла

можно разделить на тип прямого измерения и нулевую магнитную формулу в соответствии с его режимом работы. В инверторе из-за необходимости точного контроля и расчета выбран метод нулевого магнитного потока. Усиление выходного напряжения устройства Холла, а затем усиление тока. Этот ток проходит через компенсационную катушку, и магнитное поле создается компенсационной катушкой, а магнитное поле создается измеряемым током в противоположном направлении. Если выполнено условие IoN1=IsN2, то магнитный поток в сердечнике равен 0, тогда имеет место следующая формула:

Io=Is(N2/N1)

В формуле Io – измеряемый ток, то есть ток в первичной обмотке магнитопровода.