Напряжение датчика холла: Работа датчика холла

Содержание

ВАЗ 2109 датчик холла — Зажигание — Статьи

Как известно бесконтактная система зажигания автомобиля ваз 2109 состоит замка, коммутатора, катушки зажигания, свечей и датчика распределителя, в основе которого лежит так называемый датчик Холла. Именно от этого микроэлектронного бесконтактного датчика подаются управляющие импульсы на коммутатор.

Принцип действия датчика Холла основан на появлении в полупроводнике, под воздействием магнитного поля, разности потенциалов (эффекте Холла) и без его нормальной работы, полноценное искрообразование просто невозможно.

К сожалению, наравне с коммутатором на ваз 2109 датчик холла обладает сравнительно низкой надежностью и, возможно, именно поэтому рекомендуется владеть хотя бы минимальными знаниями по проверке этого элемента, а опытные автолюбители, вообще, советуют постоянно иметь под рукой исправный датчик.

Между тем, для того чтобы проверить работоспособность датчика Холла можно применить несколько методов.

Например, можно воспользоваться приведенной на фото несложной схемой. Обращается внимание, что напряжение питания должно быть в пределах 8-14В, а предел измерения у вольтметра не менее 15В. Для проверки следует медленно проворачивать валик  распределителя зажигания. При нормальной работе вольтметр должен показывать резкое изменение напряжения  от минимального (около 0,4 В) до максимального значения.

 Можно воспользоваться и специальным приспособлением, которое несложно приобрести в любом специализированном магазине. Притом что такие контрольные приборы имеют вполне доступную цену, они при подключении их вместо коммутатора, позволяют провести диагностику не только датчика Холла, но и катушки и замка зажигания.

В случае выявления неисправности датчик Холла на ваз 2109 меняется следующим образом:

-снимается крышка трамблера;

-разворотом коленвала метка на шкиве совмещается со средней меткой на крышке газораспределительного механизма, после чего, отмечается положение бегунка распределителя;

— с помощью ключа на 13 отворачиваются крепежные гайки и снимается трамблер;

-демонтируется маслоотражательная муфта, вместе с ее шайбой;

-отсоединяются клеммы датчика Холла после чего, при оттягивании регулятора, появляется возможность снять сам датчик.

Установка датчика и сборка производятся в обратном порядке.

Похожие материалы

Датчики и сенсоры онлайн журнал

 

 

Первоначально этот эффект применялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются

для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов [25, 26]. Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила: F = qvB где q = 1.6×10 |9Кл — величина заряда электрона, v — его скорость, а В — магнитная индукция. Выделенный шрифт указывает на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Нью-тон/(амперхметр) = 104 Гаусс. Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещенной в магнитное поле В (рис. 3.30). На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла Vp Знак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением: Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд где а — угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 3.31), a h — полная чувствительность датчика, на значение той влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура. Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, который определяется градиентом поперечного электрического потенциала на единицу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения: где N — число свободных электронов в единице объема, а с — скорость света. В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным Рис. 3.31. А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выводами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопротивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3.32) можно представить в виде деталейого соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак <8> на рис. 3.31Б и 3.32 указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя. Датчик характеризуется следующими параметрами», сопротивлениями Л и Rg , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности. Рис. 3.32 Эквивалентная схема датчика Холла Большинство сенсоров Холла изготавливаются из кремния, и их можно разделить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных сенсоров, поскольку напряжение Холла обычно довольно мало. В таблице 3.2 приведены основные характеристики простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague. Таблица 3.2. Типовые характеристики линейного датчика Холла
Управляющий ток 3 мА
Сопротивление управляющей цепи 2 2 кОм
Температурный коэффициент чувствительности сопротивления управляющей цепи
+0 8%/°С
Дифференциальное выходное сопротивление 4 4 кОм
Выходное напряжение смещения 5 0 мВ (при В = 0 Гс)
Чувствительность 60 мкВ/Гс
Температурный коэффициент чувствительности +0 1%/°С
Полная чувствительность 20 В/(ОмхкГс)
Максимальная плотность магнитного потока ограничений нет
Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый детектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнитное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной. Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагируют на механические напряжения, поэтому необходимо минимизировать нагрузки на корпус датчика и на подводящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колебаниям температуры, приводят к изменению сопротивления сенсорных элементов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления. Рис. 3.33. А и Б — кремниевый датчик Холла с и-зоной, В — его эквивалентная схема в виде резистивного моста Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения. На рис. З.ЗЗА приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке/ьтипа с зоной я-типа, полученной методом ионной имплантации. Электрические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и формируют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с углублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. Холл открыл это физическое явление в 1879 году. З.ЗЗБ). На рис. 3.33В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо проработанными методами расчета (раздел 5.7 главы 5), они чаще всего используется на практике.
.

  Список тем   Назад   Вперед

 

 

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

 

По вопросам размещения статей   пишите на email:

[email protected]

 

 

OpenBooks | Репозиторий Университета ИТМО

49
УДК 621.013+537.312
А. А. ГОЛУБЕВ, В. К. ИГНАТЬЕВ
ЦИФРОВОЙ НАНОТЕСЛОМЕТР
Описан четырехтактный вычислительный алгоритм минимизации систематических погрешностей магнитометра, связанных с температурной зависимостью константы Холла и остаточного напряжения, с использованием микроконтроллера ADUC834BS. Ключевые слова: магнитометр, датчик Холла, остаточное напряжение, крутизна преобразования, температурная погрешность, микроконтроллер.
При измерениях магнитных полей в диапазоне от 10 –7—10 –2 Тл в качестве преобразователя, главным образом, используется датчик Холла. Точность измерения индукции магнитного поля с помощью датчика Холла снижают остаточное напряжение, термоЭДС холловских контактов, температурная зависимость константы Холла и погрешность от собственного магнитного поля преобразователя [1]. Погрешность, связанную с термоЭДС контактов, можно устранить, запитав датчик Холла переменным током с последующим синхродетектированием. Минимизация погрешности, обусловленной пропорциональным протекающему через токовые контакты току остаточным напряжением датчика, не зависящим от магнитного поля, но зависящим от температуры [1], производится методом взаимности. Действительно, выходное напряжение датчика U при пропускании через него входного тока I в магнитном
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

50 А. А. Голубев, В. К. Игнатьев поле В, перпендикулярном плоскости датчика, можно представить как реакцию линейной системы на внешнее воздействие в виде
Ui = αij(B)Ij = (Rij + kijB)Ij. Здесь индексы i и j принимают значения, соответствующие токовым контактам датчика Холла Т1 и Т2 потенциальным П1 и П2 контактам (рис. 1), αij(B) — функция восприимчивости во внешнем магнитном поле B (Rij = αij(0)). Также учтено, что датчик Холла в слабых магнитных полях линеен.
U
Рис. 1
Из свойств симметрии восприимчивости [2] следует, что αij(B) = αij(–B). Следовательно, Rij = Rji = Rн, kij = – kji = kх — коэффициент Холла. Тогда, считая, что Ij = Ii = I, получим Ui = = Uн + Uх, Uj = Uн – Uх, где Uн = RнI — остаточное напряжение (напряжение небаланса), связанное с несимметричностью контактов датчика, Uх = kхВI — холловское напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю.
Это реализовано в магнитометре [3], позволяющем раздельно измерять холловское напряжение Uх и остаточное напряжение датчика Холла Uн. Магнитометр (см. рис. 1) содержит датчик Холла ДХ, источник постоянного тока ИТ, систему коммутации, содержащую ключи К1—К10, усилители У1 и У2 и систему управления. Измерение происходит по следующему алгоритму.
Первый такт: ключи К1—К4, К6, К7 разомкнуты, К5, К8 — замкнуты. Ток от ИТ протекает через ключ К5, контакты Т1, Т2, ключ К8. Напряжение с контактов П1, П2, усиленное в п1 раз усилителем У1, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 1, на выход. При этом выходное напряжение равно U1 = п1(Uс + Uн + Uх), здесь в термоЭДС включено напряжение смещения Uс усилителя У1.
Второй такт: ключи К1—К5, К8 разомкнуты, К6, К7 — замкнуты. Ток протекает через ключ К6, контакты Т2, Т1, ключ К7. Поскольку направление тока через датчик Холла инвертировано по отношению к первому такту, выходное напряжение равно U2 = п1(Uс – Uн – Uх).
Третий такт: ключи К5—К8, К2, К3 разомкнуты, К1, К4 — замкнуты. Ток протекает через ключ К1, контакты П1, П2, ключ К4. Напряжение с контактов Т1, Т2, усиленное в п2 раз усилителем У2, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 2, на выход, при этом U3 = п2(UС + Uн – Uх).
Четвертый такт: ключи К5—К8, К1, К4 разомкнуты, К2, К3 — замкнуты. Ток протекает через ключ К2, контакты П2, П1, ключ К3. Ключи К9, К10 находятся в положении 2. Выходное напряжение равно U4 = п2(Uс – Uн + Uх).
Таким образом, измерив последовательно четыре значения напряжения на выходе схемы (см. рис. 1), в качестве меры магнитной индукции можно использовать
U1 – U2 + (U3 – U4)/п = 4п1Uх0 = SB0,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Цифровой нанотеслометр

51

где S = 4п1KхI — крутизна преобразования, п = п2/п1. Остаточное напряжение Uн пропорцио-

нально величине U1 – U2 – (U3 – U4)/п. При этом, однако, нескомпенсированной остается погрешность, обусловленная температурной зависимостью константы Холла.

В алгоритме для устранения основных систематических погрешностей определения

температуры датчика Холла использовано остаточное напряжение Uн, пропорциональное удельному сопротивлению материала датчика, которое, в свою очередь, зависит от подвиж-

ности и концентрации носителей заряда, измеренное по четырехзажимной схеме (см. рис. 1).

Температурная зависимость константы Холла определяется концентрацией носителей заряда

[4]. Наши исследования показали, что зависимость константы Холла от остаточного напря-

жения близка к линейной функции, с погрешностью 0,1 %, на нее влияет магнитное поле в

диапазоне значений температуры 0—70 °С и магнитное поле до 10 мТл, эта зависимость мо-

жет использоваться для компенсации температурной погрешности [5].

Пусть Uх0(uн) = Uх(B0, Uн) — зависимость холловского напряжения от остаточного напряжения, зарегистрированная при калибровке магнитометра в постоянном магнитном поле с

индукцией B0 при изменении температуры датчика. Тогда f(Uн) = Uх0(Uн)/B0 — зависимость крутизны преобразования от остаточного напряжения при фиксированном токе I через датчик

Холла. При измерении регистрируются холловское и остаточное напряжения, а индукция

магнитного поля вычисляется как

В = Uх(B, Uн)/f(Uн).

(1)

Разумеется, этот алгоритм можно реализовать с помощью микропроцессорной измери-

тельной системы, например, на основе микроконтроллера. Принципиальная схема нанотес-

лометра приведена на рис. 2 (DD1 — ADuC847BS, DD2 — MT16S2D, DA1 — ADA4004-

4ARZ, DA2, DA3 — TMP37GRT, VT1—VT4 — IRF7103Q, VT5 — КП501А, VD1—VD6 —

BAS70-04PBF, ZQ1 — ПХЭ606117А).

Цифровая часть нанотеслометра состоит из микроконтроллера ADuC847BS (DD1) [6] и

жидкокристаллического дисплея MT-16S2D (DD2). Дифференциальные усилители (У1 и У2

на рис. 1) на счетверенном малошумящем операционном усилителе DA1 (ADA4004-4ARZ)

простроены по классической схеме потенциометрических усилителей. Для защиты микро-

контроллера от превышения допустимого предела входных напряжений используется схема,

построенная на сдвоенных диодах Шоттки VD1—VD6 (BAS70–04). Выходы дифференци-

альных усилителей соединены с входами мультиплексора (К9 и К10 на рис. 1), с его помо-

щью программно выбирается усилитель, выходное напряжение которого будет измеряться.

Программируемый усилитель обеспечивает оптимальный динамический диапазон АЦП, ко-

эффициент усиления которого можно изменять от 1 до 128 в зависимости от величины вход-

ного напряжения.

Опорное напряжение для АЦП задается манганиновым шунтом R1 с сопротивлением

25 Ом, включенным последовательно с преобразователем Холла ZQ1 (ПХЭ608117А, Сенсор,

Санкт-Петербург). Такая схема включения позволяет снизить требования к стабильности тока

в измерительной цепи. Источник измерительного тока для датчика Холла ZQ1 и шунта R2

построен на транзисторе VT5 и резисторе R2. Контакты датчика коммутируются программно

микроконтроллером DD1с помощью ключей VT1—VT4 (К1—К8 на рис. 1), в качестве кото-

рых используются полевые транзисторы IRF7103Q. Температура измерительных усилителей

DA1 и источника опорного напряжения (ИОН), в качестве которого выступает резистор R1,

измеряется с помощью датчиков температуры DA1 и DA2, в качестве которых использованы

специализированные микросхемы TMP37GRT. Напряжения с этих датчиков, пропорциональ-

ные их температуре, подаются на входы АЦП микроконтроллера и могут использоваться для

компенсации дополнительной погрешности, связанной с изменением температуры окружаю-

щей среды.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Рис. 2

Цифровой нанотеслометр

53

Нанотеслометр питается от 8 аккумуляторов формата АА, формирующих рабочие на-

пряжения +5 и –5 В (GB1 и GB2). С таким источником питания прибор может непрерывно

работать в течение 24 часов.

После включения питания и инициализации микроконтроллера по четырехтактному ал-

горитму 100 раз измеряются значения напряжения U1—U4 на токовых (Т1 и Т2) и потенциальных (П1 и П2) контактах датчика Холла (рис. 1). Результаты измерений усредняются. За-

тем производится вычисление значения магнитного поля в соответствии с выражением

B = S(U1 – U2 + (U3 – U4)/п),

(2)

величина S и п определяется при калибровке прибора. Далее измеряется температура DA1 и

ИОН (см. рис. 2) и вычисляется остаточное напряжение Uн = U1 – U2 – (U3 – U4)/п.

Нанотеслометр собран на одной печатной плате размером 90×60 мм. Для уменьшения

уровня шумов дифференциальные усилители на основе микросхемы DA1 и разъем XS1 для

подключения датчика (рис. 2) помещены в медный экран размером 27×25×6 мм. Прибор не имеет элементов управления и не требует настройки в процессе эксплуатации.
При калибровке в первую очередь определялся коэффициент п, входящий в формулу (2). Для этого к разъему ХS1 подключался мостовой эквивалент датчика Холла, состоящий из четырех одинаковых проволочных резисторов по 10 Ом и включенного в диагональ балансировочного резистора Rб = 10 кОм. Поскольку резистивная цепь является взаимной, при точной настройке независимо от величины остаточного напряжения, которое изменяется резистором Rб, невзаимное холловское напряжение должно равняться нулю. При калибровке коэффициент п программно подбирается так, чтобы при изменении остаточного напряжения в пределах ±1 мВ среднее квадратическое значение холловского напряжения было минимальным. В этом случае отношение Uн/Uх можно рассматривать как степень компенсации остаточного напряжения, подбором коэффициента п ее удается довести до 1000.
Нанотеслометр калибровался при помощи длинного соленоида, помещенного в магнитный экран. Нелинейность составила менее 0,1 % в диапазоне 10–6—10–2 Тл. Каждая точка на графике соответствовала среднему, определенному по 100 отсчетам, вычисляемым автоматически в течение одного цикла измерений длительностью 0,1 с.
Порог чувствительности нанотеслометра определяется спектральной интенсивностью приведенного ко входу магнитного шума. Она измерялась методом периодограмм Уэлша [7]

по 100 выборкам из 4096 отсчетов каждая и составила 3 нТл c в полосе частот 0,1—45 Гц,

фликкер-шум в этом частотном диапазоне отсутствует. Вычислительный алгоритм термокоменсации [5] позволяет снизить погрешность измерения температуры в диапазоне 0—70 °С в 25 раз — с 0,25 (что соответствует температурному коэффициенту чувствительности датчика ПХЭ606117А) до 0,01 % на 1 °С.

Работа поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Авторы благодарят фирму Analog Device за предоставленные образцы микроконтроллера и усилителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
2. Файн В. М., Ханин Я. И. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1965. 126 с.
3. Игнатьев В. К., Протопопов А. Г. Магнитометр на основе преобразователя Холла // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 4. С. 116—120.
4. Средства измерения параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев, Н. В. Студенцов, В. Н. Хореев и др. Л.: Энергия, 1979. 320 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

54 В. Г. Галалу

5. Патент РФ № 2311655 G01R 33/07 Способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра / В. К. Игнатьев. Опубл. 21.11.07. Бюл. № 33.

6. [Электронный ресурс]: .

7. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

Антон Александрович Голубев Вячеслав Константинович Игнатьев

Сведения об авторах — д-р физ.-мат. наук, профессор; Волгоградский государственный
университет, кафедра радиофизики; E-mail: [email protected] — магистр; Волгоградский государственный университет, кафедра
радиофизики; E-mail: [email protected] vlpost.ru

Рекомендована университетом

Поступила в редакцию 31.01.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Измерение положения и уровня с использованием технологии измерения на основе эффекта Холла

Измерение положения и уровня с использованием технологии измерения на основе эффекта Холла

Скачать PDF-версию

Гэри Пепка, Allegro MicroSystems, LLC

Аннотация

Применение датчиков Холла (магнитного поля) в последнее время стало практичным благодаря достижениям в поддерживающих технологиях.В этом документе представлена ​​технология эффекта Холла, а затем исследуется, как она применялась, в частности, проводится различие между основными типами интегральных схем датчика Холла и диапазоном высокодифференцированных режимов работы датчиков, которые они могут поддерживать. Кроме того, в нем исследуются некоторые передовые технологии, такие как достижения в области обработки сигналов, которые сделали эту технологию намного более надежной, чем в первые дни ее существования. Это позволяет применять преимущество чрезвычайно высокой надежности бесконтактных приложений Холла в более широком диапазоне, чем когда-либо прежде.

Помимо усовершенствований вспомогательных технологий, усовершенствовались и сами устройства на эффекте Холла, что способствовало разработке комплексных решений. Эти усовершенствования включают в себя уменьшение энергопотребления и занимаемой площади, а также интеграцию функций диагностики и защиты, которые позволяют интегральным схемам датчика Холла обеспечивать расширенные функции, основанные на данных, которые становятся все более востребованными в миниатюрной портативной бытовой электронике, автомобилях и других растущих отраслях.

Введение

Благодаря большому разнообразию решений, доступных для измерения положения и уровня, проектировщики могут выбрать оптимальные технологии и пакеты для достижения своих коммерческих и инженерных целей.Из этих решений технология на основе эффекта Холла с применением бесконтактного магнитного считывания обеспечивает исключительную ценность и надежность. В этом примечании по применению рассматриваются преимущества технологии Холла и то, как последние разработки в этих устройствах улучшают результаты измерения положения и уровня.

Преимущества эффекта Холла

Способов определения положения и уровня может быть почти столько же, сколько приложений, требующих этих функций. Индуктивные, емкостные, механические, магниторезистивные, на эффекте Холла и оптические, и это лишь некоторые из них, являются жизнеспособными вариантами датчиков, и их список продолжает расширяться.Тем не менее, для проектировщика всегда остаются одни и те же критические элементы, которые необходимо решать и которые неизбежно связывают требования приложения с соответствующей сенсорной технологией.

Критические требования, такие как: стоимость, расстояние перемещения (эффективный рабочий воздушный зазор), разрешение, точность, а зачастую и стоимость, — все это необходимо определить для эффективного и действенного выбора надлежащей технологии обнаружения. Конечно, построение ответов для каждого из этих элементов не всегда является простой задачей.Здесь, однако, гибкость технологии измерения на эффекте Холла является наиболее выгодной. Высокая надежность, малый размер, приемлемая себестоимость, широкий диапазон рабочего напряжения, разнообразие вариантов выходного сигнала и простота реализации позволяют использовать датчики на основе эффекта Холла практически на всех рынках.

Обзор технологии Hall

Во-первых, краткое руководство о том, как работает технология эффекта Холла. Проще говоря, эффект Холла, названный так в честь сэра Эдвина Холла и открытый в 1879 году, относится к измеримому напряжению на проводящем материале, например кремнии (Si) или арсениде галлия (GaAs), которое возникает, когда электрический ток протекает через проводящий материал. на проводник действует магнитное поле (см. рисунок 1).Эта поперечная сила, создаваемая магнитным полем, известна как сила Лоренца. Следовательно, для работы устройства на эффекте Холла требуется магнитное поле.

Рис. 1. При эффекте Холла магнитный поток, перпендикулярный потоку электрического тока, приводит к измеримому напряжению.

Несмотря на то, что сегодня технология на эффекте Холла довольно распространена, она не получила массового признания до 1980-х годов. Это произошло потому, что потенциал напряжения на элементе Холла ничтожен и может зависеть от внешних сил, таких как температура и напряжения корпуса.Как показано на рисунке 2, в более поздних устройствах реализованы возможности усиления сигнала в дополнение к использованию встроенных методов компенсации смещения, которые позволили использовать технологию измерения на основе эффекта Холла даже в экстремальных условиях окружающей среды. например, под капотом автомобилей. Кроме того, «бесконтактная» работа ИС на эффекте Холла предоставляет пользователю почти бесконечный срок службы в отношении срабатывания и переключения.

Рис 2.Современные ИС датчиков Холла объединяют методы обработки и усиления сигналов, что позволяет создавать практичные устройства.

Опции устройства Холла

Дальнейшее исследование элементов, требующих рассмотрения для приложения измерения положения или уровня, ИС на эффекте Холла предоставляет разработчику множество функций и вариантов, включая цифровой или аналоговый выход. Первый вариант оптимален для обнаружения дискретных положений, а второй предоставляет пользователю относительно бесконечное количество положений для большего разрешения.Некоторыми примерами приложений, требующих дискретного определения положения или уровня, являются: автомобильные селекторы переключения передач, выключатели пряжек ремней безопасности, датчики положения сидений, сотовые телефоны-раскладушки, коммутация бесщеточных двигателей постоянного тока, резервуары для жидкости стеклоочистителей и бензобаки, и это лишь некоторые из них. Благодаря высокой надежности технология на эффекте Холла используется для замены герконов и механических переключателей в этих приложениях.

Большинство переключателей на эффекте Холла имеют выходные структуры с открытым стоком и низким сопротивлением, что упрощает интерфейс для большинства микропроцессоров и другой цифровой электроники (пороговые компараторы, мультиплексоры, базовые TTL-затворы и т. д.).Типично для выходов с открытым стоком, после включения выходное напряжение устройства на эффекте Холла переходит от высокого к низкому. При этом существует множество вариантов ИС на эффекте Холла, предназначенных для обслуживания множества приложений измерения положения и уровня, каждое из которых имеет свои нюансы. Эти варианты включают в себя такие функции, как: потребление микроэнергии, независимое от магнитного полюса определение, программируемые пользователем параметры, двухпроводные устройства вывода с током, магнитное смещение для обнаружения железных целей и инвертированные выходы.Все это невозможно адекватно обсудить за один присест, и в этой статье основное внимание будет уделено стандартным устройствам: их работе и применению.

Характеристики стандартного устройства Холла

Существует три распространенных варианта ИС стандартных цифровых датчиков положения и уровня: однополярные, с фиксацией и биполярные. У однополярных переключателей срабатывание вызывается магнитным полем достаточной силы, чтобы включить устройство. Обычно B южный (B указывает плотность магнитного потока) должен быть больше, чем точка срабатывания магнитного поля B OP устройства, чтобы включить эти устройства.Как только магнитное поле опускается ниже точки магнитного срабатывания устройства, B RP , эти устройства возвращаются в состояние «выключено».

Блокирующие устройства включаются аналогично однополюсным выключателям. Однако фиксирующие устройства могут быть отключены (разблокированы) только тогда, когда устройство обнаружит достаточную напряженность магнитного поля противоположной полярности, B север .

Биполярные переключатели похожи на фиксирующие устройства, поскольку они используют противоположные магнитные полярности для включения и выключения.Но из-за высокой чувствительности этих устройств нельзя гарантировать их работу в качестве защелки. В некоторых случаях биполярные переключатели могут иметь точки переключения (B OP и B RP ), которые заставляют их работать как стандартный однополярный переключатель или даже как отрицательный переключатель (переключение только при наличии достаточной северной магнитной полярности).

Приложения с низким разрешением

Отличным примером приложения, использующего дискретное определение положения, является автомобильный селектор переключения передач.В селекторах переключения передач обычно всего пять отдельных положений (Парковка, Задний ход, Нейтраль, Движение и Низкая). Когда однополярный переключатель расположен в каждом отдельном положении (P, R, N, D и L), каждый переключатель включается только тогда, когда магнит в переключателе перемещается непосредственно рядом с переключателем, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Устройства Холла можно использовать в качестве бесконтактных переключателей, согласовывать 1-к-1 с измеренными положениями или группировать для обеспечения дополнительных положений считывания путем анализа магнитных перекрестных помех с использованием нескольких устройств.

Если разработчику потребуются дополнительные позиции, расстояние между устройствами можно уменьшить, чтобы создать «перекрестные помехи» между устройствами. Таким образом получают дополнительные положения, когда магнит находится достаточно близко к двум устройствам, так что они оба включены, тем самым увеличивая количество положений, например, с пяти до девяти. Простые двоично-десятичные системы (BCD) или более сложные системы, такие как код Грея или Densely Packed Decimal (DPD), могут использоваться для декодирования логики и получения позиционной информации.

Подобным образом эту тактику можно использовать для определения уровня жидкости в резервуаре с помощью поплавкового устройства с магнитом внутри, как показано на рис. 4. Когда магнит плавает вверх и вниз в зависимости от изменения уровня жидкости, дискретные уровни определяются тем, какой датчик IC находится во включенном состоянии.

Рис. 4. Датчик уровня жидкости в баке; сферический поплавок с кнопочным магнитом внутри перемещается по поверхности жидкости, а устройства Холла и проводка полностью изолированы в отдельной камере.

Приложения с высоким разрешением

На примере селектора переключения передач очень быстро видно, что дискретное определение положения или уровня является идеальным, когда требуется только несколько положений. Этот метод добавления устройства для каждой позиции очень быстро становится непомерно дорогим и сложным в пространственном отношении, когда приложение требует более высокого разрешения.

Введите линейное устройство Холла с аналоговым выходом. Подобно цифровым переключателям, линейные переключатели имеют множество функций; например, логометрические выходы, возможность программирования пользователем, цифровые выходы (например, ШИМ) и однонаправленное или двунаправленное считывание.Как и в предыдущем описании устройств для дискретных позиций или уровней, это обсуждение будет сосредоточено только на стандартных интегральных схемах линейных датчиков Холла: их способах работы и применении.

Большинство стандартных ИС линейных датчиков Холла имеют логометрические выходы (0,5 × V DD ), которые реагируют пропорционально напряженности магнитного поля. Для этих устройств обычно требуется регулируемый источник питания 5,0 В, а QVO (выходное напряжение покоя, V OUT(Q) ) составляет 2,5 В при отсутствии значительного магнитного поля (см. рис. 5).Выходное напряжение увеличивается при восприятии возрастающего магнитного поля от южного полюса магнита, приближаясь к 5,0 В. И наоборот, выходное напряжение будет уменьшаться при восприятии возрастающего магнитного поля от северного полюса магнита, приближаясь к 0 В.

Рисунок 5. Линейные устройства на эффекте Холла реагируют во всем диапазоне измеряемого магнитного потока, выдавая логометрический аналоговый сигнал.

Существуют две распространенные конфигурации для приложений линейных устройств, которые составляют основу большинства конструкций.Эти методы называются скользящим и лобовым.

Конфигурации слайд-бай

В стандартном приложении скольжения магнит перемещается по поверхности упаковки, так что элемент Холла определяет один или оба магнитных полюса, как показано на рис.  6. Фактически могут быть три положения, в которых выходное напряжение равно нулю. : (а) до того, как магнит окажется достаточно близко, чтобы поле могло быть воспринято устройством, (б) после пересечения нуля (В = 0) между полюсами непосредственно рядом с элементом Холла и (в) после того, как магнит переместился за пределы устройства достаточно далеко, чтобы на элементе больше не было достаточного поля для обнаружения.Фактически изменение выходного напряжения составляет от 2,5 до 0 В (при условии, что V DD составляет 5 В), когда северный полюс магнитного поля проходит через лицевую сторону корпуса, и от 2,5 до 5,0 В, когда проходит южный полюс. лицевая сторона пакета. Обычно это называют двунаправленным зондированием.

Рисунок 6. Конфигурация приложения Slide-by и кривая отклика, показывающая отдельные узлы для пиков на северном полюсе и на южном полюсе.

Безусловно, также возможно обнаружить изменение только одного полюса устройства, хотя это может ограничить доступный диапазон.В этом случае изменение выходного сигнала, известное как однонаправленное измерение, ограничивается всего 2,5 В для стандартных линейных датчиков. Чтобы получить полный диапазон работы, нужно было бы использовать программируемую пользователем линейку с этой функцией. Изменение выходного напряжения микросхемы на эффекте Холла по мере изменения поля на поверхности можно затем использовать для определения относительного положения движущегося магнита. Затем можно использовать аналого-цифровой преобразователь на стандартном микропроцессоре и простую справочную таблицу для передачи фактического положения.В этой ситуации разрешение (количество позиций, которые могут быть обнаружены) зависит от разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя, но аналоговый сигнал обеспечивает относительно бесконечное количество позиций.

Примером приложения, в котором можно использовать датчик скольжения, является положение клапана, схема которого показана на рисунке 7. В этом приложении часто магнит представляет собой двухполюсный кольцевой магнит, который вращается перед (скользит лицом) на эффекте Холла. упаковка. Когда противоположные магнитные поля проходят перед элементом, выходное напряжение изменяется пропорционально изменению напряженности поля.С помощью точного измерения положение клапана можно контролировать, чтобы более точно определять поток вещества через носитель.

Рис. 7. Определение положения клапана — проверенное приложение для конфигураций Холла IC со скольжением.

Конфигурации лобового стекла

Определение положения лобового стекла очень похоже на однонаправленное определение положения проскальзывания. По сути, линейная холловская ИС различает изменение напряженности магнитного поля только для одного магнитного полюса, который может иметь как северную, так и южную полярность.Схема обнаружения проста. По мере приближения магнита к устройству поле, обнаруживаемое ИС, увеличивается, а напряженность поля уменьшается по мере удаления магнита, как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Конфигурация лобового приложения и кривая отклика, показывающая монотонную характеристику независимо от ориентации полюса.

Определение высоты платформы на беговой дорожке хорошо иллюстрирует использование метода лобового измерения. Когда высота настила изменяется для изменения уклона бегунка, для определения смещения настила можно использовать линейную интегральную схему Холла.Обычно магнит прикрепляют к самой деке, а датчик в сборе остается неподвижным. По мере того, как бегунок увеличивает или уменьшает уклон настила, датчик IC обеспечивает обратную связь с модулем управления относительно относительного смещения посредством изменения напряженности поля, засвидетельствованного элементом Холла.

Определение полевых спецификаций

Как и в случае любой другой технологии, при разработке приложения с использованием микросхемы датчика Холла необходимо учитывать некоторые особенности.Тщательный выбор магнита имеет первостепенное значение, включая форму и размещение, как показано на рисунке 9. Сила магнитного поля экспоненциально уменьшается с расстоянием. Кроме того, магниты имеют температурные коэффициенты, которые необходимо учитывать.

Рисунок 9. Эта модель изображает изменение напряженности поля для магнита-кнопки (аналогично тому, что используется для рисунка 10). Стрелки представляют линии магнитного потока. Чем ближе линии к магниту, тем сильнее напряженность поля.

Поэтому для дискретного определения положения рекомендуется всегда определять эффективный воздушный зазор от лицевой стороны упаковки до магнита в требуемом положении переключения, а затем определять максимальную и минимальную напряженность поля в номинальном диапазоне температур. , на таком расстоянии. Затем это значение следует сравнить с максимальной номинальной рабочей точкой переключения для каждого альтернативного устройства.

Диаграмма и формула для оценки ухудшения поля из-за эффективного воздушного зазора представлены на рисунке 10.Это изменение можно рассчитать по следующей формуле:

где:

  • Br = Остаточная магнитная индуктивность материала, Гс,
  • L = длина магнита в мм,
  • X = Расстояние между поверхностью магнита и устройством в мм и
  • R = Радиус магнита в мм.

На диаграмме показаны типичные результаты для магнита-пуговицы, аналогичного магниту, использованному на рис. 9, состоящего из NdFe, с номиналом 30 МОЭ (эрстед; 1 Э = 100 микротесла, микроТл), радиусом 2 мм и толщиной 1 мм. толщина.

Хорошее эмпирическое правило для проектировщика состоит в том, чтобы убедиться, что в требуемом положении для переключения устройства напряженность поля по крайней мере на 10 % больше, чем требуется для максимальной номинальной точки переключения. Например, если требуется, чтобы однополярный выключатель с В ОП (макс.) 50 Гс включался на определенном расстоянии, то напряженность поля на этом расстоянии должна быть не менее 55 Гс при всех условиях.

Проектирование линейных приложений

В отличие от цифровых переключателей на эффекте Холла, для срабатывания которых требуется только определенная сила и полярность поля, для достижения удовлетворительных результатов линейным устройствам требуется немного больше технических характеристик приложения.Коэффициент усиления линейной ИС определяет разрешение на заданном расстоянии. Поэтому независимо от того, является ли приложение скользящим или лобовым, необходимо выбрать соответствующее усиление.

Для этого необходимо установить две известные конечные точки и требуемое разрешение (количество точек данных). Ниже приведен краткий пример определения соответствующего коэффициента усиления.

Если предположить, что требования к приложению соответствуют показанным на рисунке 11, используемый линейный диапазон будет составлять 3 В.Полный диапазон, когда магнит проходит через устройство, будет составлять 200 Гс (Гаусс; 10 Гс = 1 миллитесла, мТл). Разделив изменение выходного напряжения V OUT на изменение приложенного поля Bapplied, можно получить соответствующий коэффициент усиления линейного устройства Холла для данного приложения.

Для большей ясности приведем уравнения и результаты для этого примера. Общее уравнение:

Усиление (мВ/G) = V OUT (мВ) / B применено (G) .

Чтобы использовать данные примера, сначала преобразуйте V OUT из В в мВ.

Тогда:

В ВЫХ = В В ВЫХ1

   = 4000 мВ – 1000 мВ

   = 3000 мВ (полный линейный диапазон),

и

B применяется (G) = B макс. – B мин.

      = 100 Гс – (–100 Гс) = 200 Гс.

Примечание. Применяется алгебраическое соглашение: положительные значения для B обозначают южную полярность, а отрицательные значения для B обозначают северную полярность.

Ввод их в общее уравнение:

Коэффициент усиления (мВ/Гс) = 3000 мВ/200 Гс

   = 15 мВ/Гс.

Конечно, в реальных приложениях передаточные функции не являются идеально линейными, и в системе может быть неотъемлемое смещение. По этой причине необходимо дополнительно учитывать точность, требуемую приложением, а также разрешающую способность аналого-цифрового преобразователя или аналогичного устройства, которое должно считывать выходной сигнал, и температурный коэффициент магнита.

В таких ситуациях полезно учитывать:

  • Изменение статического выходного напряжения в зависимости от температуры, В OUT(Q) (TA),
  • Изменение чувствительности (усиления) в зависимости от температуры, В sens(Q) (TA) и
  • Линейность устройства в заданном диапазоне напряженности магнитного поля.

Линейные ИС на эффекте Холла могут иметь обратное смещение с помощью магнитного поля для обнаружения железных целей.Например, датчики на основе интегральных схем Холла широко используются в автомобильной промышленности для точного определения положения кулачков и скорости коленчатых валов в двигателях, чтобы улучшить синхронизацию и тем самым обеспечить более эффективное потребление топлива. Широкая полоса пропускания многих линейных преобразователей на эффекте Холла позволяет использовать их для определения изменений тока в преобразователях постоянного тока и системах управления батареями в гибридных автомобилях.

Резюме

Очевидно, что это упрощенные примеры приложений, в которых может использоваться датчик Холла, и очень сжатые описания возможностей и функций, предлагаемых этой технологией.Другие интересные примеры важных вариантов технологии Холла включают:

  • Токовые выходы двухпроводных устройств идеально подходят для критических с точки зрения безопасности приложений, таких как датчики положения сидений и пряжек ремней безопасности. Это связано с тем, что эти устройства выводят два различных уровня тока, чтобы указать состояния включения и выключения. Любой выходной сигнал, который отклоняется от этих уровней, является неисправностью, предоставляя пользователю встроенную диагностику.
  • Чрезвычайно низкое потребление тока (<5 Вт) позволяет использовать ИС на эффекте Холла в датчиках разомкнутой/замкнутой цепи.Это особенно ценно в приложениях с батарейным питанием, которые чувствительны к потере питания, например: мобильные телефоны-раскладушки, портативные компьютеры и пейджеры.
  • Гибкость этих интегральных схем датчиков дополнительно повышается за счет различных вариантов упаковки. Некоторые корпуса с микровыводами (MLP, также известные как безвыводные корпуса DFN или QFN) имеют размеры всего 2,0 × 2,0 × 0,5 мм, в то время как другие достаточно велики, чтобы включать самариево-кобальтовый магнит для обратного смещения ИС.

Бесчисленное множество приложений, которые можно обслуживать с помощью технологии Холла, обуславливает постоянно растущее разнообразие этих устройств.В результате технология продолжает развиваться. Постоянное уменьшение размера и постоянное увеличение возможностей делают технологию Холла жизнеспособным решением практически для любого приложения измерения положения или уровня.

Как работают датчики Холла и где они используются?

Эффект Холла является следствием действия силы Лоренца.

Когда через тонкий проводник (или полупроводник) протекает постоянный ток, а магнит расположен так, что его магнитное поле направлено перпендикулярно этому току, магнитное поле тока реагирует на магнитное поле постоянного магнита, заставляя электроны, протекающие через проводник, притягиваться к одной стороне проводника из-за силы Лоренца.Это создает в проводнике разность потенциалов, называемую напряжением Холла. Величина напряжения Холла пропорциональна силе магнитного поля.

Сила Лоренца — это сила, с которой частица действует под действием электрических и магнитных полей.

Напряжение Холла возникает, когда магнитное поле тока, протекающего по проводнику, реагирует на магнитное поле постоянного магнита, перпендикулярное протеканию тока.
Изображение предоставлено: учебники по электронике.ws

Эффект Холла используется в датчиках, где результирующее напряжение Холла может указывать на наличие, отсутствие или напряженность магнитного поля. Хотя датчики Холла работают, обнаруживая магнитное поле, их можно использовать для измерения самых разных параметров, включая положение, температуру, силу тока и давление.


Датчики на эффекте Холла обычно делятся на две категории: цифровые датчики на эффекте Холла, к которым относятся переключатели на эффекте Холла и защелки на эффекте Холла, и аналоговые датчики на эффекте Холла.

Переключатели на эффекте Холла

— также называемые униполярными датчиками — обнаруживают наличие (или отсутствие) магнитного поля по сравнению с заранее заданным порогом для магнитного потока. При обнаружении подходящего магнитного поля переключатель включается (замыкается), а когда поле снимается, переключатель выключается (размыкается). Датчики приближения являются распространенным применением переключателей на эффекте Холла.

Работа защелки на эффекте Холла, также называемой биполярным датчиком, похожа на переключатель, но защелка включается (закрывается) при приложении положительного магнитного поля, а остается на , даже когда поле снимается.И наоборот, защелка выключается (открывается), когда прикладывается отрицательное магнитное поле, и остается выключенной , даже когда поле снимается. Защелки на эффекте Холла обычно используются в бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC) для определения положения ротора для правильной коммутации.

Цифровые датчики Холла

включают в себя триггер Шмитта — схему, которая регулирует порог переключения до немного более высокой точки на нарастающем фронте сигнала и до немного более низкой точки на заднем фронте сигнала.Разница между этими точками переключения называется гистерезисом и гарантирует, что переключатель не будет колебаться или включаться и выключаться из-за шума во входном сигнале.

Триггер Шмитта обеспечивает гистерезис для предотвращения колебаний цифрового датчика Холла между состояниями «включено» и «выключено».
Изображение предоставлено: Texas Instruments

Аналоговые или линейные датчики Холла производят постоянное выходное напряжение, пропорциональное плотности магнитного потока (силе магнитного поля), что делает их подходящими для измерения положения и движения.Фактически, во многих магнитных поворотных энкодерах используются линейные датчики на эффекте Холла. Однако взаимодействие протекающего тока и магнитного поля создает напряжение Холла, которое очень мало, поэтому линейные датчики Холла обычно включают в себя усилитель для увеличения выходного напряжения, а также другую электронику преобразования сигнала для улучшения отклика датчика и компенсации температуры. последствия.

Устройства на эффекте Холла

представляют собой отличные чувствительные элементы, поскольку они полностью бесконтактны и не имеют движущихся частей, что обеспечивает им длительный срок службы.И они могут работать на высоких скоростях и частотах переключения с превосходной воспроизводимостью.

Автор изображения: Texas Instruments

%PDF-1.4 % 1 0 объект >поток 2016-02-22T11:26:23-05:00Microsoft® Word 20102022-04-07T18:35:58-07:002022-04-07T18:35:58-07:00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication/pdf

  • UUID: 391d0936-7606-4eb9-9fc9-2cbc033f5f50uuid: b8800ca7-6086-48aa-9fda-550aafac908d конечный поток эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект >поток xXɎ[email protected]` SA0CJdI]nHbgժYzpR嗗+}m>[+8KB\8DWv٪D,RnAfʒLX ʹ$D9Y;k홮]Ot dcL: >d9lsO:3(gYq{��G^ HSK��4JhM%ŽM|ﲌzɾhDеoӐt21B+6q9̕%’sbTR

    %PDF-1.3 % 53 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 53 107 0000000016 00000 н 0000002489 00000 н 0000003135 00000 н 0000003291 00000 н 0000003355 00000 н 0000003431 00000 н 0000003505 00000 н 0000003602 00000 н 0000003685 00000 н 0000003796 00000 н 0000003905 00000 н 0000004011 00000 н 0000004165 00000 н 0000004338 00000 н 0000004479 00000 н 0000004566 00000 н 0000004665 00000 н 0000004769 00000 н 0000004899 00000 н 0000004994 00000 н 0000005078 00000 н 0000005174 00000 н 0000005265 00000 н 0000005382 00000 н 0000005507 00000 н 0000005603 00000 н 0000005711 00000 н 0000005868 00000 н 0000006030 00000 н 0000006193 00000 н 0000006327 00000 н 0000006437 00000 н 0000006539 00000 н 0000006659 00000 н 0000006789 00000 н 0000006932 00000 н 0000007081 00000 н 0000007201 00000 н 0000007349 00000 н 0000007439 00000 н 0000007559 00000 н 0000007693 00000 н 0000007776 00000 н 0000007884 00000 н 0000007978 00000 н 0000008076 00000 н 0000008171 00000 н 0000008262 00000 н 0000008354 00000 н 0000008502 00000 н 0000008609 00000 н 0000008700 00000 н 0000008808 00000 н 0000008912 00000 н 0000009010 00000 н 0000009111 00000 н 0000009213 00000 н 0000009361 00000 н 0000009445 00000 н 0000009546 00000 н 0000009676 00000 н 0000009784 00000 н 0000009853 00000 н 0000010004 00000 н 0000010159 00000 н 0000010271 00000 н 0000010353 00000 н 0000010451 00000 н 0000010586 00000 н 0000010695 00000 н 0000010845 00000 н 0000010963 00000 н 0000011095 00000 н 0000011229 00000 н 0000011356 00000 н 0000011453 00000 н 0000011573 00000 н 0000011656 00000 н 0000011760 00000 н 0000011878 00000 н 0000011997 00000 н 0000012135 00000 н 0000012306 00000 н 0000012391 00000 н 0000012472 00000 н 0000012589 00000 н 0000012710 00000 н 0000012798 00000 н 0000012885 00000 н 0000012969 00000 н 0000013077 00000 н 0000013174 00000 н 0000013376 00000 н 0000013704 00000 н 0000013831 00000 н 0000013942 00000 н 0000014052 00000 н 0000014233 00000 н 0000015698 00000 н 0000015826 00000 н 0000016766 00000 н 0000017095 00000 н 0000017223 00000 н 0000017279 00000 н 0000018206 00000 н 0000002606 00000 н 0000003113 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 54 0 объект > эндообъект 158 0 объект > поток Hb«`f`c`g«[email protected]

    Измерение эффекта Холла

    Эффект Холла, впервые описанный Эдвином Холлом в 1879 году, приводит к электрическому выходу, когда тонкая металлическая пластина погружается в магнитное поле достаточная прочность.Магнитное поле должно быть перпендикулярно электрическому току, проходящему через пластину. Потенциал напряжения эффекта Холла зависит от силы магнитного поля и его угла к пластине.

    Измерительная установка для обнаружения потока электронов на выходе эффекта Холла. Внешняя магнитная сила инициирует ток в тонкой прямоугольной проводящей пластине. Электроны притягиваются к той стороне пластины, к которой приложено положительное напряжение, и отталкиваются от той стороны пластины, к которой приложено отрицательное напряжение.

    Если магнитное поле наложено сбоку на проводник, по которому течет ток, носители положительного и отрицательного заряда будут мигрировать к противоположным сторонам проводника, создавая небольшой, но измеримый потенциал напряжения поперек проводника. Это напряжение наиболее заметно, когда проводник представляет собой тонкую плоскую прямоугольную пластину. Оно возникает только при наличии магнитного потока, наложенного извне на проводник. Таким образом, узел, не имеющий движущихся частей, может функционировать как датчик приближения, а также как магнитометр.Выход находится в диапазоне низких милливатт, поэтому во многих приложениях он используется в сочетании с усилителем.

    Напряжение эффекта Холла также появляется на отверстии, просверленном в пластине, в ответ на электрический ток, введенный на краю отверстия. Это второе изменение эффекта Холла проявляется в изменении выходного напряжения (включено или выключено) в зависимости от полярности магнитного поля. Биполярный датчик, как его называют, требует положительного (южный полюс по современной номенклатуре) для питания электрической цепи.Напротив, униполярная схема на эффекте Холла включается и выключается, когда датчик приближается к магнитному полю или покидает его. Здесь снова нет движущихся частей. Единственное, что движется, — это внешнее магнитное поле или все устройство на эффекте Холла. По этой причине, если они не подвергаются перенапряжению, устройства на эффекте Холла, как правило, не требуют технического обслуживания.

    Вверху элемент Холла принимает отрицательный заряд на верхнем краю (обозначается синим цветом) и положительный на нижнем краю (красный цвет).Показан поток электронов, а не направление тока. Ниже либо электрический ток, либо магнитное поле меняются местами, что приводит к изменению поляризации. Изменение направления тока и магнитного поля (внизу справа) заставляет элемент Холла снова принимать отрицательный заряд на верхнем краю.

    Эффект Холла зависит от движения электронов, дырок и/или ионов. В присутствии магнитного поля на носители заряда действует сила Лоренца, F , определяемая количественно как:
    F = q( E + v × B) Где q — электрический заряд, E — внешнее электрическое поле, v — скорость заряда, B — магнитное поле, все в единицах СИ.

    Устройства на эффекте Холла

    используются во многих приложениях. Примером могут служить токоизмерительные клещи. Без устройства на эффекте Холла этот прибор представляет собой простой трансформатор, нечувствительный к постоянному току. Накладные амперметры высокого класса оснащены датчиком на эффекте Холла для расширения их функциональных возможностей.

    Датчики Холла

    в настоящее время доступны вместе с усилителями с высоким коэффициентом усиления в одиночных интегральных схемах. Они могут быть герметизированы, чтобы сделать их невосприимчивыми к пыли, грязи, грязи и воде. Сборка без движущихся частей подходит для автомобильных приложений, включая тормозные системы с АБС, спидометры, электронные системы зажигания и впрыска топлива.

    Датчики Холла

    могут быть изготовлены и сконфигурированы для обнаружения магнитного поля Земли. Это свойство используется в некоторых системах GPS. Крошечные датчики Холла устанавливаются на печатных платах и ​​используются для обеспечения обратной связи в двигателях с регулируемой скоростью. Чувствительность к слабому току можно повысить, введя несколько витков в проводник с током. В стационарных установках можно использовать экранирование для уменьшения влияния магнитного поля земли. Для цепей с большей силой тока используется делитель тока.Он состоит из одной более толстой проволоки и одной более тонкой проволоки, причем более тонкая проволока обеспечивает смещение для устройства на эффекте Холла.

    Серводвигатели

    часто включают датчики Холла для отслеживания положения ротора. Новейшие экскаваторы-погрузчики, карьерные самосвалы, краны и ножничные подъемники оснащены джойстиками на эффекте Холла, что позволяет отказаться от большого количества гидравлических шлангов, требующих частого обслуживания.

    Маломощный двигатель на эффекте Холла используется для приведения в движение некоторых космических кораблей, освободившихся от земного притяжения. Магниты на двигателе ускоряют ионизированные атомы.Нейтральное топливо закачивается в камеру, где оно ионизируется электронами, создавая плазму, создающую достаточную тягу в условиях невесомости.

    Теория эффекта Холла, первоначально изложенная в 19 веке, в настоящее время пересматривается, чтобы отразить последние достижения в квантовой физике. Будущий теоретик Клаус фон Клитцинг обнаружил, что, когда один слой электронов в полупроводнике одновременно испытывает низкую температуру и сильное магнитное поле, его внутреннее электронное свойство, сопротивление Холла, возникает исключительно при целых числах, кратных ч / e 2 , называемая теперь константой фон Клитцинга.Это в основном квантованная версия эффекта Холла, наблюдаемая в двумерных электронных системах, подверженных воздействию низких температур и сильных магнитных полей, в которых сопротивление Холла R xy демонстрирует ступени, которые принимают квантованные значения на определенных уровнях R xy =V Hall /I канал = h / e 2 v где V Hall это напряжение Холла, I канал это напряжение Холла, I канал заряд, а ч — постоянная Планка.Делитель ν может быть как целым (ν = 1, 2, 3,…), так и дробным (ν = ⅓, ⅖, 3 7 , ⅔, 3 3 , 9006. .)ценности.

    Оказывается, у квантованной версии эффекта Холла есть реальные приложения. Квантование холловской проводимости G xy = 1/ R xy чрезвычайно точно. Было обнаружено, что фактические измерения проводимости Холла кратны целому или дробному числу от e 2 / h до почти одной миллиардной.Это явление позволило определить новый практический стандарт электрического сопротивления на основе кванта сопротивления, определяемого константой фон Клитцинга. Квантовый эффект Холла также обеспечивает чрезвычайно точное независимое определение важной величины в квантовой электродинамике, называемой постоянной тонкой структуры.

    Например, исследователи изучали трехмерный квантовый эффект с середины 20-го века, добившись успеха в прошлом году. Разработка представляет собой теоретическую модель электрона, которая, как ожидается, расширит наши знания о трехмерном эффекте Холла.Последняя итерация представляет собой дробную версию, в которой отсутствует магнитное поле. В холодной 2D-системе с сильным приложенным магнитным полем сопротивление Холла изменяется дискретными шагами. Квантовый эффект Холла нелегко повторить, потому что энергия распределяется в направлении приложенного магнитного поля.

    В 1987 году теоретик Берт Гальперин предположил, что решение можно найти, если открыть брешь в электронной структуре материала. Примерами могут быть индуцированный потенциал решетки или электроны волны плотности заряда, попадающие в стоячую волну.Это создало бы энергетическую щель согласно предсказаниям Гальперина:
    1. Удельное сопротивление вдоль электрического поля исчезло бы, а
    2. Удельное сопротивление Холла осталось бы на уровне 2 ч / e 2

    Вот как трехмерные квантовые эффекты Холла будут отличаться от двумерных квантовых эффектов Холла.

    Несмотря на последующие исследования, предсказания Гальперина остаются непроверенными. Проблема связана с несовместимостью 2D и 3D. Простое наложение 2D-материалов не сработало.Система, кажется, поддерживает 2D-характеристики.

    Фангдун Тан из Южного университета науки и технологии и его коллеги в Китае успешно наблюдали трехмерный квантовый эффект Холла, используя магнитное поле 2 Тл в сочетании с охлаждением 0,6 К. Эксперименты продемонстрировали подавленное продольное сопротивление наряду с плато Холла около 2,0 Тл. Поскольку длина волны Ферми была больше, чем постоянная решетки, исследователи смогли заявить, что трехмерный квантовый эффект Холла был вызван большой длиной волны, а не кристаллом. потенциал.Механизм, лежащий в основе наблюдаемого трехмерного квантового эффекта Холла, и объяснение плато Холла при ограниченных уровнях магнитного поля остаются нерешенными. Одно из объяснений состоит в том, что электрон-фононные взаимодействия вызывают явления.

    После открытия квантового эффекта Холла продолжают появляться новые экспериментальные результаты. Исследователи надеются найти новые материалы, которые будут демонстрировать трехмерный квантовый эффект Холла. Две интригующие возможности заключаются в том, что трехмерный квантовый эффект Холла будет достигнут при комнатной температуре и без внешнего магнитного поля.

    Датчики Холла



    ГОАЛЫ :

    • Опишите эффект Холла.
    • Обсудите принцип работы генератора Холла.
    • Обсудите приложения, в которых можно использовать генераторы Холла.

    Принципы работы


    фгр. 1 Через кусок полупроводникового материала протекает постоянный ток.

    Эффект Холла — простой принцип, который широко используется в промышленности. сегодня.Эффект Холла был открыт Эдвином Х. Холлом в Университете Джона Хопкинса. Университет в 1879 году.

    Мистер Холл изначально использовал кусок чистого золота для создания эффекта Холла, но сегодня используется кусок полупроводникового материала, потому что полупроводник материал работает лучше и дешевле в использовании. Устройство часто называется генератором Холла.

    фгр. 1 показано, как возникает эффект Холла. постоянный ток источник питания подключен к противоположным сторонам куска полупроводника материал.К двум другим сторонам подключен чувствительный вольтметр.

    Если ток протекает прямо через полупроводниковый материал, напряжение отсутствует. производится через соединение вольтметра.

    фгр. 2 показан эффект приближения магнитного поля к полупроводнику. материал. Магнитное поле вызывает обнаружение пути течения тока на одну сторону материала. Это приводит к возникновению потенциала или напряжения. на противоположных сторонах полупроводникового материала.

    Если полярность магнитного поля меняется на противоположную, путь тока обнаруживаются в противоположном направлении, как показано на Fgr. 3. Это вызывает полярность напряжения, вырабатываемого генератором Холла, изменить. Два фактора определить полярность напряжения, вырабатываемого генератором Холла:

    1. направление тока через полупроводниковый материал; и

    2. полярность магнитного поля, используемого для обнаружения тока.

    Величина напряжения, вырабатываемого генератором Холла, определяется:

    1. количество тока, протекающего через полупроводниковый материал; и

    2. Сила магнитного поля, используемая для обнаружения пути тока.

    Генератор Холла имеет много преимуществ перед датчиками других типов. С это твердотельное устройство, в нем нет движущихся частей или контактов, которые можно было бы изнашивать. из. На него не влияют грязь, масло или вибрация. Генератор Холла представляет собой интегральную схему, которая монтируется во многих различных типах и стилях. дел.


    фгр. 2 Магнитное поле обнаруживает путь прохождения тока через полупроводник.


    фгр. 3 Текущий путь обнаружен в противоположном направлении.


    фгр. 4 Напряжение переменного тока создается вращающимся магнитным диском.

    Генераторы Холла

    Датчик скорости двигателя

    Генератор Холла можно использовать для измерения скорости вращающегося устройства.Если диск с магнитными полюсами по окружности прикрепить к вращающийся вал, а возле диска установлен датчик Холла, напряжение будет производиться при вращении вала. Так как диск имеет чередующиеся магнитные полярности по окружности, датчик будет вырабатывать переменное напряжение. фгр. 4 показан генератор Холла, используемый таким образом. фгр. 5 показывает переменный ток форма волны, создаваемая вращающимся диском. Частота переменного напряжения пропорциональна количеству магнитных полюсов на диске и скорости вращения.

    Еще один способ определения скорости — использование релюктора. Неохота диск из черного металла, используемый для отвода магнитного поля от какого-либо другого объект. В датчике этого типа используется металлический диск с насечками, прикрепленный к вращающемуся вал. Диск разделяет датчик Холла и постоянный магнит (рис. 6). Когда выемка находится между датчиком и магнитом, создается напряжение генератором Холла. Когда сплошная металлическая часть диска находится между датчик и магнит, магнитное поле отводится от датчика.Это вызывает значительное падение напряжения, вырабатываемого генератором Холла.

    Поскольку полярность магнитного поля не меняется, напряжение Генератор Холла представляет собой пульсирующий постоянный ток, а не переменный. Текущий.

    фгр. 7 показаны импульсы постоянного тока, создаваемые генератором. Количество импульсов произведенное в секунду, пропорционально количеству насечек на релюкторе и скорости вращающегося вала.


    фгр.5 Синусоида.


    фгр. 6 Reluctor отводит магнитное поле от датчика.


    фгр. 7 Импульсы прямоугольной формы, создаваемые генератором Холла.


    фгр. 8 Генератор Холла используется для определения положения движущегося устройства.

    Датчик положения

    Генератор Холла можно использовать аналогично концевому выключателю. Если датчик установлен рядом с движущимся оборудованием и постоянно магнит прикреплен к движущемуся оборудованию, будет производиться напряжение когда магнит приближается к датчику (Fgr.8). Преимущества зала датчик заключается в том, что он не имеет контактов рычажной брони для износа, как общий предел переключатель, так что он может работать через миллионы операций машины.

    Датчик положения на эффекте Холла показан на рис. 9. Обратите внимание, что этот тип датчиков различаются по размеру и стилю, чтобы соответствовать практически любому применению. Позиция датчики работают как цифровые устройства в том смысле, что они ощущают присутствие или отсутствие магнитного поля. У них нет способности ощущать интенсивность поля.

    Концевые выключатели на эффекте Холла


    фгр. 9 Датчик положения на эффекте Холла.


    фгр. 10 Концевой выключатель на эффекте Холла.


    фгр. 12 Датчик Холла.


    фгр. 11 Датчик Холла определяет, когда в цепи протекает постоянный ток.

    Другим устройством на эффекте Холла, используемым в очень похожем приложении, является датчик Холла. концевой выключатель эффекта (группа 10). В этом концевом выключателе используется генератор Холла. вместо набора контактов.Магнитный плунжер механически активируется по маленькой кнопке. К выключателю можно прикрепить различные типы рычагов, что позволяет использовать его для многих приложений.

    Эти переключатели обычно предназначены для работы от источника постоянного тока 5 В. для приложений TTL (транзисторно-транзисторная логика) или от 6 до 24 вольт Источник постоянного тока для интерфейса с другими типами электронного управления или для обеспечения вход для программируемых контроллеров.

    Датчик тока

    Поскольку источником тока для генератора Холла является отдельный источник питания, магнитное поле не должно двигаться или изменяться для получения выходного напряжения.Если датчик Холла установлен рядом с катушкой провода, напряжение будет вырабатываться генератором при протекании тока через провод. фгр. 11 показан датчик Холла, используемый для обнаружения, когда постоянный ток протекает по цепи. Датчик Холла показан на рис. 12.

    Генератор Холла все чаще используется в промышленности. Поскольку время нарастания и спада сигнала генератора Холла обычно менее 10 микросекунд, он может работать с частотой импульсов до 100 000 импульсов в секунду.Это делает его особенно полезным в промышленности.


    фгр. 13 Линейный преобразователь на эффекте Холла.

    Датчики линейных перемещений

    Линейные преобразователи предназначены для получения выходного напряжения, пропорционального к силе магнитного поля. Входное напряжение обычно составляет от 8 до 16 В. вольт, но величина выходного напряжения определяется типом преобразователя использовал. Линейные преобразователи на эффекте Холла могут быть получены двух типов. выходов.Один тип имеет регулируемый выход и выдает напряжение 1,5 до 4,5 вольт. Другой тип имеет пропорциональный выход и производит выходное напряжение составляет от 25% до 75% входного напряжения. Линейный эффект Холла преобразователь показан на рис. 13.

    ВИКТОРИНА :

    1. Из какого материала был изготовлен первый генератор Холла?

    2. Какие два фактора определяют полярность вырабатываемого выходного напряжения генератором Холла?

    3.Какие два фактора определяют величину напряжения, создаваемого Холлом? генератор?

    4. Кто такой неохотный?

    5. Почему магнитное поле не обязательно должно двигаться или изменяться, чтобы производить выходное напряжение в генераторе Холла?

    Линейный датчик Холла — рабочая и прикладная схема

    Линейные ИС на эффекте Холла представляют собой магнитные сенсорные устройства, предназначенные для реагирования на магнитные поля для получения пропорционального количества электроэнергии на выходе.

    Таким образом, он становится полезным для измерения напряженности магнитных полей и в приложениях, требующих переключения выхода через магнитные триггеры.

    Современные интегральные схемы на эффекте Холла спроектированы с учетом устойчивости к большинству механических воздействий, таких как вибрации, рывки, удары, а также к влаге и другим атмосферным загрязнениям.

    Эти устройства также невосприимчивы к колебаниям температуры окружающей среды, которые в противном случае могли бы сделать эти компоненты уязвимыми для нагревания и привести к неверным результатам вывода.

    Как правило, современные ИС с линейным эффектом Холла могут оптимально работать в диапазоне температур от -40 до +150 градусов Цельсия.

    Базовая схема расположения выводов

    Ратиометрический режим работы

    Многие стандартные линейные ИС на эффекте Холла, такие как серия A3515/16 от Allegro или DRV5055 от ti.com, по своей природе являются ратиометрическими, при этом устройства имеют фиксированное выходное напряжение и чувствительность меняются в зависимости от напряжения питания и температуры окружающей среды.

    Напряжение покоя обычно может составлять половину напряжения питания.В качестве примера, если мы считаем, что напряжение питания устройства составляет 5 В, в отсутствие магнитного поля его выходное напряжение в состоянии покоя обычно составляет 2,5 В и будет изменяться со скоростью 5 мВ на гаусс.

    В случае увеличения напряжения питания до 5,5 В, напряжение покоя также будет соответствовать 2,75 В, а чувствительность достигнет 5,5 мВ/Гс.

    Что такое динамическое смещение

    ИС с линейным эффектом Холла, такие как A3515/16 BiCMOS, включают запатентованную систему динамического подавления смещения с помощью встроенного высокочастотного импульса, что позволяет контролировать остаточное напряжение смещения материала Холла. соответственно.

    Остаточное смещение обычно может возникать из-за переформовки устройства, температурных несоответствий или из-за других соответствующих стрессовых ситуаций.

    Вышеупомянутая особенность делает эти линейные устройства значительно стабильным выходным напряжением покоя, хорошо устойчивыми ко всем типам внешних негативных воздействий на устройство.

    Использование линейной ИС на эффекте Холла

    ИС на эффекте Холла можно подключить с помощью указанных соединений, где контакты питания должны подходить к соответствующим клеммам постоянного напряжения (регулируемым).Выходные клеммы могут быть подключены к соответствующим образом откалиброванному вольтметру, имеющему чувствительность, соответствующую выходному диапазону Холла.

    Рекомендуется подключение шунтирующего конденсатора 0,1 мкФ непосредственно к контактам питания ИС, чтобы защитить устройство от внешних электрических помех или паразитных частот.

    После включения устройства может потребоваться несколько минут стабилизации, в течение которых его нельзя эксплуатировать с магнитным полем.

    После внутренней термостабилизации устройства его можно подвергать воздействию внешнего магнитного поля.

    Вольтметр должен немедленно зарегистрировать отклонение, соответствующее силе магнитного поля.

    Определение плотности потока

    Для определения плотности потока магнитного поля выходное напряжение устройства может быть нанесено на график и расположено по оси Y калибровочной кривой, пересечение выходного уровня с калибровочной кривой подтверждает соответствующее плотность потока на кривой по оси X.

    Области применения линейных датчиков Холла
    1. Линейные датчики Холла могут иметь различные области применения, некоторые из них представлены ниже:
    2. Бесконтактные измерители тока для измерения тока, проходящего снаружи через проводник.
    3. Измеритель мощности, идентичный предыдущему (счетчик ватт-часов) Обнаружение точки срабатывания по току, когда внешняя схема интегрирована со ступенью измерения тока для контроля и отключения заданного предела превышения тока.
    4. Тензометрические датчики, в которых коэффициент деформации магнитно связан с датчиком Холла для обеспечения требуемых выходных сигналов.
    5. Применения со смещенным (магнитным) зондированием Детекторы черных металлов, в которых устройство на эффекте Холла сконфигурировано для обнаружения черного материала посредством определения относительной силы магнитной индукции Датчик приближения, как и в приведенном выше приложении, приближение определяется путем аппроксимации относительной магнитной силы по устройство Холла.
    6. Джойстик с датчиком промежуточного положения Датчик уровня жидкости — еще одно релевантное применение датчика Холла. Другими подобными приложениями, которые используют напряженность магнитного поля в качестве основной среды наряду с устройством на эффекте Холла, являются: Датчики температуры/давления/вакуума (с сильфонным узлом) Датчики положения дроссельной заслонки или воздушного клапана Бесконтактные потенциометры.

    Принципиальная схема с использованием датчика Холла

    Описанный выше датчик Холла можно быстро настроить с помощью нескольких внешних частей для преобразования магнитного поля в электрические импульсы переключения для управления нагрузкой.Простую принципиальную схему можно увидеть ниже:

    В этой конфигурации датчик Холла будет преобразовывать магнитное поле в пределах заданной близости и преобразовывать его в линейный аналоговый сигнал через свой «выходной» контакт.

    Этот аналоговый сигнал можно легко использовать для управления нагрузкой или для питания любой желаемой схемы переключения.

    Как повысить чувствительность

    Чувствительность приведенной выше базовой схемы на эффекте Холла можно увеличить, добавив дополнительный PNP-транзистор к существующему NPN, как показано ниже:

    Использование операционного усилителя интегрирован с операционным усилителем для включения результатов включения в ответ на магнитную близость с устройством на эффекте холла.

    Здесь инвертирующий вход операционного усилителя настроен на фиксированное опорное напряжение 1,2 В с использованием двух диодов серии 1N4148, а неинвертирующий вход операционного усилителя настроен на выход эффекта Холла для предполагаемого обнаружения.

    Пресет 1k используется для установки порога переключения, при котором ОУ должен переключаться, в зависимости от силы и уровня близости магнитного поля вокруг эффекта холла.

    В отсутствие магнитного поля выходной сигнал датчика Холла остается ниже установленного порога входных сигналов операционного усилителя.

    Как только выходной сигнал эффекта Холла превышает неинвертирующий порог операционного усилителя, установленный предустановкой и опорным уровнем инвертирующего входа, выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, в результате чего светодиод загорается.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.