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 и назначение

Магнитные датчики Холла широко распространены в современных условиях и применяются не только в специализированных изделиях, но и в обычной бытовой технике. Большинство пользователей даже не подозревают, какие чувствительные элементы работают у них в телефоне, например, и что они могут быть установлены не только в электронной аппаратуре, но и в средствах передвижения (в автомобиле или мотоцикле). В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы и назначение датчика Холла.

• Принцип действия и типы
• Историческая справка
• Классификация
• Устройство и примеры использования
• Применение в системе зажигания и стиральных машинах
• В бытовых условиях

Принцип действия и типы

Использование сенсоров в различных устройствах (в планшете, в частности) объясняется их способностью реагировать на изменения поля и отключаться при закрытии магнитной крышки чехла. Благодаря этому свойству они устанавливаются и в стиральных машинах, позволяя контролировать скорость вращения барабана. Если выразиться простым языком – здесь датчик Холла используется как тахометр.

Историческая справка

Чтобы понять принцип работы этого элемента, потребуется небольшой экскурс в историю. В 1879 году американский физик Холл открыл интересное явление, связанное с поведением проводника с током в магнитном поле. Проверка показала, что если через помещенную между магнитами медную пластину пропускать ток, то на ее боковых гранях появляется разность потенциалов. Возникает закономерный вопрос: как проверить это напряжение в домашних условиях?

Оказалось, что на практике его можно измерить мультиметром или любым другим прибором, имеющим соответствующие пределы. То же самое можно сделать любым подходящим тестером или подобным ему прибором.

Подключение измерителя подтверждает то, что движущиеся электроны под действием магнитного поля отклоняются в сторону (перпендикулярно направлению их движения).

Важно! Величина этого отклонения или разность потенциалов пропорциональна «мощности» магнитов и силе тока через пластину.

На этом основании Холл заключил, что такой проводник – хорошее средство для измерения магнитного поля. На данном эффекте основана работа особого чувствительного элемента, называемого датчиком Холла. Разобравшись с тем, как он работает в каждом конкретном устройстве, можно быть уверенным в окончательном усвоении его принципа действия.

Классификация

Важно понимать, какие бывают датчики Холла, и по какому принципу их принято классифицировать. По особенностям работы и тому для чего он нужен или по назначению, датчик Холла может иметь различные исполнения. Одна из разновидностей – аналоговые приборы, вырабатывающие на выходе непрерывный сигнал.

В отличие от них цифровой элемент имеет только два дискретных состояния («ноль» и «единица»). Эта разновидность прибора может быть униполярной или иметь биполярный тип. Первая из них срабатывает при обнаружении поля любой полярности и отключается при его исчезновении. То есть униполярный цифровой сенсор реагирует только на отсутствие или наличие магнитной напряженности. Рассмотренные особенности каждого из подвидов также помогают понять, что это такое – датчик Холла.

Униполярные сенсоры переключаются в «единицу» лишь при достижении полем порогового уровня и не способны определять его наличие при слабых напряженностях. Указанное свойство – существенный минус таких приборов, заметно ограничивающий сферу их применения. Биполярный датчик срабатывает с учетом полярности магнитного поля, одна из которых включает его, а другая – выключает.

Условное графическое обозначение приборов этого класса приведено на фото ниже:

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

1. Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
2. Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
3. Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
4. Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

• В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
• При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
• Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
• По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Материалы по теме:

• Что такое тензодатчик и как он устроен
• Для чего нужны концевые выключатели
• Чем отличается переменный ток от постоянного

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 эффекта Холла I Melexis

Принцип эффекта Холла назван в честь физика Эдвина Холла. В 1879 году он обнаружил, что, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, помещают перпендикулярно магнитному полю, напряжение можно измерить под прямым углом к ​​пути тока. Распространенной аналогией, популярной во время открытия Холла, была аналогия электрического тока в проводе с текущей жидкостью в трубе. Теория Холла приравнивала магнитную силу к току, что приводило к скоплению на одной стороне «трубы» или провода. Теория электромагнитного поля позволила более точно интерпретировать физику, ответственную за эффект Холла.

Хорошо известно, что эффект Холла возникает в результате взаимодействия заряженных частиц, таких как электроны, в ответ на электрические и магнитные поля. Отличное подробное, но легко читаемое объяснение можно найти в книге Эда Рамсдена «Датчики на эффекте Холла: теория и приложения». А также в Википедии.

Первоначально это открытие использовалось для классификации химических образцов. Разработка полупроводниковых соединений арсенида индия в XIX в.50-е годы привели к появлению первых полезных магнитных инструментов на эффекте Холла. Датчики Холла позволяли измерять постоянные или статические магнитные поля, не требуя движения датчика. В 1960-х годах популяризация кремниевых полупроводников привела к появлению первых комбинаций элементов Холла и интегральных усилителей. Это привело к появлению классического переключателя Холла с цифровым выходом.

Непрерывная эволюция технологии датчиков Холла привела к переходу от одноэлементных устройств к двойным ортогонально расположенным элементам. Это было сделано для минимизации смещения на клеммах напряжения Холла.

Следующим этапом стали квадратичные или четырехэлементные преобразователи. В них использовались четыре элемента, ортогонально расположенные в конфигурации моста. Все кремниевые датчики той эпохи были построены на основе полупроводниковых процессов с биполярным переходом.

Переход на КМОП-процессы позволил реализовать стабилизацию прерывателя в усилителе схемы. Это помогло уменьшить количество ошибок за счет уменьшения ошибок смещения входа на операционном усилителе. Все ошибки в стабилизированной цепи без прерывателя приводят к ошибкам порога переключения для датчиков цифрового типа или к ошибкам смещения и усиления для датчиков с линейным выходом.

Текущее поколение КМОП-датчиков Холла также включает в себя схему, которая активно переключает направление тока через элементы Холла. Эта схема устраняет ошибки смещения, характерные для полупроводниковых элементов Холла. Он также активно компенсирует ошибки смещения, вызванные температурой и деформацией. Общий эффект от активного переключения пластин и стабилизации прерывателя дает датчикам на эффекте Холла улучшенный на порядок дрейф точек переключения или ошибки усиления и смещения.

Компания Melexis использует исключительно процесс CMOS для обеспечения наилучшей производительности и минимального размера микросхемы. Текущие разработки в технологии датчиков Холла в основном связаны с интеграцией сложных схем формирования сигнала в ИС Холла.

Компания Melexis представила первую в мире программируемую линейную интегральную схему Холла. Он позволяет программировать функциональные характеристики, такие как усиление, смещение, температурный коэффициент усиления (для компенсации тепловых зависимостей различных магнитных материалов). Новейшие ИС Холла имеют встроенные ядра микроконтроллера, чтобы сделать еще более «умный» датчик с программируемыми в ПЗУ алгоритмами для сложной обработки сигналов в режиме реального времени.

 

---

Пример использования компанией Melexis эффекта Холла

• Triaxis®: уникальное сенсорное решение (с видео)

Продукты Melexis, использующие эффект Холла

• ИС магнитных датчиков положения
• ИС датчиков тока
• ИС магнитных защелок и переключателей

Уникальное сенсорное решение: Triaxis®

Инновационная технология магнитных датчиков, позволяющая очень точно измерять магнитное поле по трем осям с помощью одного датчика.