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

В статье описаны принципы построения и основные характеристики линейных и логических микросхем датчиков магнитного поля на эффекте Холла. Приведены параметры некоторых промышленных типов этих датчиков и примеры их применения.

Принцип действия датчика Холла

Рис.1 Иллюстация эффекта Холла

Интегральные датчики магнитного поля в своём большинстве используют эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E. Hall) в 1879 г. Эффект Холла состоит в следующем. Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла. Эта э.д.с. пропорциональна векторному произведению индукции

B на плотность тока j:

Рис.2 Расположение двух элементов Холла на ИМС, компенсирующее ошибку, вызванную механической деформацией кристалла

где d – ширина пластины, q – заряд частицы-носителя, n – концентрация носителей. При снижении концентрации носителей э.

д.с. Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний, арсенид галлия и др. Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис. 1, эта э.д.с. равна

где k_н – постоянная Холла, V_S – напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла. Для кремния k_н составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл), поэтому, как правило, э.д.с. датчика Холла требуется усиливать. Кремний обладает тензорезистивным эффектом, заключающимся в изменении сопротивления при механических напряжениях. Желательно уменьшить это влияние в датчике Холла. Это достигается соответствующей ориентацией элемента Холла на интегральной схеме и использованием нескольких элементов на кристалле. На рис. 2 показаны два элемента Холла, расположенные рядом на кристалле ИМС.

Они позиционированы так, что испытывают практически одинаковое механическое напряжение, вызывающее изменение R. К элементу, который на рисунке изображён слева, приложено напряжение возбуждения V_S, направленное по вертикальной оси, а к изображённому справа – по горизонтальной. При сложении сигналов этих двух датчиков ошибка, вызванная деформацией кристалла, компенсируется.

…дальше

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

Принцип работы датчика Холла

Устройство системы зажигания на карбюраторных автомобилях, принципы работы и устройство всех основных элементов, в том числе и датчика Холла.

Система зажигания выполняет важную функцию — создание искры в цилиндрах с целью воспламенения топливной смеси в связи с чередованием работы двигателя. Ярко выражена эта система на карбюраторных автомобилях, в тот момент, как на инжекторных она всего лишь часть системы управления двигателем.

Разделить системы зажигания по принципу работы можно на три ступени (системы):

• Контактная.
• Бесконтактная.
• Электронная.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Как ни странно, несмотря на возраст с момента появления тех самых автомобилей, на которых и есть эта система широко распространены никак не худший и лучший варианты, а именно средний — система бесконтактного зажигания. И самым любопытным ее элементом является датчик холла, принцип работы которого мы и будем разбирать в этой статье. Кстати, это любопытное изобретение применяется не только с системе зажигания, но и в еще массе приборов и систем, но об этом несколько позже.

Содержание

1. Назначение и устройство датчика Холла
2. Особенности использования в автомобиле
3. Проверка датчика на работоспособность

Назначение и устройство датчика Холла

Название датчик берет от фамилии своего изобретателя. Именно он заметил, что если в созданное каким-то образом магнитное поле поместить металлическую пластину пот электрическим напряжением, то такие действия вызовут появление импульсов и электроны в этой пластине примут траекторию отклонения перпендикулярно направления самого магнитного потока. В зависимости от полярности магнитного поля, а из еще школьного курса физики мы знаем, что полярности у любого магнита бывают положительными и отрицательными, соответственно + и -, изменяется направление отклонения от поля. Эдаким образом, изменяется плотность электронов с разных сторон этой самой пластинки, что само по себе создает разность потенциалов электродвижущей силы.

Принцип работы датчика Холла и лежит в мягком и ровном улавливании этой разницы, неизменно это как для системы зажигания ваших «Жигулей», так и для космического ракета-носителя, на котором тоже приходится улавливать немало импульсов.

Особенности использования в автомобиле

В автомобиле действия этого датчика также распространяются на измерение импульсов. Конструктивно датчик Холла в автомобиле представляет собой набор элементов:

• Постоянный магнит.
• Стальной экран, имеющий несколько прорезанных ровных отверстий.
• Полупроводниковые пластины.

Датчик действия импульсов принципиально основан на изменении индукции элемента, который очень чувствителен к этим изменениям. Когда изменяется индукция изменяется и зазор в том самом экране, то есть между ферромагнитным объектом и чувствительным элементом.

Все это отображает положение распределительного вала и коленчатого вала, что и обозначает момент подачи искры. Это простейший датчик.

Оптический прибор действия импульсов имеет несколько более сложное строение. Он имеет привод своего действия и берет начало в коленчатом валу. Этот датчик импульсов конструктивно объединён в одно целое с блоком распределителя в бесконтактной системе. Он напоминает своим видом на прерыватель. В этой системе на прорезанные отверстия стального экрана движется магнитное поле, благодаря чему повышается напряжение в системе полупроводников. Импульсы же возникают благодаря тому, что прорези идут не через одинаковое расстояние, а через разное, то есть они чередуются.

Проверка датчика на работоспособность

Когда появляется некая загвоздка в работе системы зажигания проконтролировать необходимо все элементы, и датчик Холла в этот перечень тоже входит. Ну, самый простой способ продиагностировать непосредственно датчик — заменить его на новый. Если неисправности в работе мотора пропали, то все ясно.

Если в запасе нет уже готового исправного датчик — не беда. Сделаем его сами. Все, что нам понадобится это кусок провода и колодка с тремя штекерами от распределителя зажигания. Также можно взять обычный мультиметр и проверить датчик, если датчик не работает, то тестер нам покажет менее половины одного Вольта. Еще один способ заключается в подведении концов любого провода к выводам коммутатора — если искра есть, то все нормально.

В целом придумать можно разные способы для проверки датчика Холла, однако, лучше при малейшем подозрении просто заменить его, отремонтировать его все равно в тысячу раз дольше и сложнее.

Эффект Холла – принцип, теория, формула, приложения и часто задаваемые вопросы

Эффект Холла – это процесс, при котором поперечное электрическое поле возникает в твердом материале, когда материал, по которому течет электрический ток, помещается в магнитное поле, перпендикулярное текущий. Эффект Холла был открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879 году. В этой статье мы подробно узнаем об эффекте Холла.

Принцип эффекта Холла

Принцип эффекта Холла гласит, что когда проводник с током или полупроводник помещается в перпендикулярное магнитное поле, напряжение может быть измерено под прямым углом к ​​пути тока. Этот эффект получения измеримого напряжения известен как эффект Холла.

Теория

Когда проводящая пластина подключена к цепи с батареей, то начинает течь ток. Носители заряда будут следовать по линейному пути от одного конца пластины к другому концу. Движение носителей заряда приводит к возникновению магнитных полей. При помещении магнита вблизи пластины магнитное поле носителей заряда искажается. Это нарушает прямолинейный поток носителей заряда. Сила, которая изменяет направление потока носителей заряда, известна как сила Лоренца.

Из-за искажения магнитного поля носителей заряда отрицательно заряженные электроны будут отклоняться в одну сторону пластины, а положительно заряженные дырки — в другую. Между обеими сторонами пластины будет создаваться разность потенциалов, известная как напряжение Холла, которую можно измерить с помощью измерителя.

Напряжение Холла, представленное как В _H , определяется по формуле:

\(\begin{массив}{l}V_H=\frac{IB}{qnd}\end{массив} \)

Здесь,

I — ток, протекающий через датчик

B – напряженность магнитного поля

q это плата

n — количество носителей заряда в единице объема

d — толщина сенсора.

Аналогичное чтение:

Коэффициент Холла

Коэффициент Холла R _H математически выражается как

\(\begin{массив}{l}R_H=\frac{E}{jB}\end{массив} \)

Где j — плотность тока электрона-носителя, Ey — индуцированное электрическое поле, а B — напряженность магнитного поля.

Коэффициент Холла положителен, если положительных зарядов больше, чем отрицательных. Точно так же он отрицателен, когда электронов больше, чем дырок.

Применение эффекта Холла

Принцип эффекта Холла используется в следующих случаях:

• Оборудование для измерения магнитного поля
• Для измерения постоянного тока используется тестер клещей на эффекте Холла.
• Используется для измерения фазового угла
• Датчики приближения
• Датчики и преобразователи на эффекте Холла
• Датчики линейного или углового перемещения
• Для определения скорости вращения колеса и, соответственно, помощи антиблокировочной тормозной системе.

Следите за новостями BYJU’S и Влюбитесь в обучение!

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Q1

Назовите одно практическое применение эффекта Холла.

Эффект Холла используется для определения того, является ли вещество полупроводником или изолятором. Природа носителей заряда может быть измерена.

Q2

Как развивается потенциал Холла?

Когда проводник с током находится в присутствии поперечного магнитного поля, магнитное поле оказывает отклоняющую силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и скорости дрейфа. Это заставляет заряды перемещаться с одной поверхности на другую, создавая разность потенциалов.

Q3

Что такое датчик Холла?

Датчик Холла — это устройство, которое используется для измерения величины магнитного поля.

Q4

В эффекте Холла направления магнитного поля и электрического поля параллельны друг другу. Правда или ложь?

Ложь. Магнитное поле и электрическое поле перпендикулярны друг другу.

Q5

Объясните силу Лоренца.

Сила Лоренца – это сила, действующая на заряженную частицу q, движущуюся со скоростью v через электрическое поле E и магнитное поле B.

Посмотрите видео, чтобы понять, как магнитное поле создается проводником с током.

Принцип работы, преимущества и области применения

Что такое датчик Холла?

Датчик на эффекте Холла — это тип твердотельного магнитного датчика, который может обнаруживать наличие и величину магнитного поля. Выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально напряженности магнитного поля в направлении, перпендикулярном магнитному полю.

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. Фосфид индия (InP)
4. Арсенид индия (InAs)

Зонд Холла

9 0003

Датчик Холла состоит из откалиброванного датчика Холла для измерения напряженности магнитного поля.

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.
• Датчик положения дроссельной заслонки
• Электронный блок управления
• 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.