Датчик Холла | Виды, принцип работы, как проверить

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами – это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Эффект Холла

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я пометил гранями ABCD.

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C!  Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла. 

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

где

Supply Voltage – напряжение питания датчика

Ground – земля

Voltage Regulator – регулятор напряжения

А – операционный усилитель

Hall Sensor – собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch – выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на гранях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или простыми словами, чем ближе мы поднесем магнит к датчику, тем больше будет напряжение Холла. Это и есть прямолинейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение берется сразу с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггер Шмитта, а также выходного переключающего транзистора. То есть все это будет выглядеть примерно вот так:

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку.

Теоретически, если подавать ну очень сильный магнитный поток на датчик Холла, то напряжение Холла будет бесконечно большим? Как бы не так). Выходное напряжение будет лимитировано напряжением питания. То есть график будет выглядеть примерно вот так:

Как вы видите, до какого-то момента у нас идет линейная зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как оно достигло напряжения насыщения, которое ограничено напряжением питанием самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например, токовые клещи.

Существуют также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах, называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально плотности магнитного потока.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Как только наступила  эра цифровой элек троники, в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Самый простой датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше и он выглядит вот так:

По сути такой датчик имеет только два состояние на выходе. Либо сигнал есть (логическая единица), либо его нет (логический ноль). Гистерезис на триггере Шмитта просто устраняет частые переключения, поэтому в цифровых датчиках Холла он используется всегда.

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные

Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. К примеру, подносим южный полюс магнита и датчик сработает. На северный магнитный полюс он реагировать не будет.

Биполярные

Подносим магнит одним полюсом – датчик сработает и будет продолжать работать даже тогда, когда мы уберем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

[quads id=1]

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс питания – на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил красным бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать, где северный полюс, а где южный.

Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков

• датчики тока
• тахометры
• датчики вибрации
• детекторы ферромагнетиков
• датчики угла поворота
• бесконтактные потенциометры
• бесколлекторные двигатели постоянного тока
• датчики расхода
• датчики положения

Применение цифровых датчиков

• датчики частоты вращения
• устройства синхронизации
• датчики систем зажигания автомобилей
• датчики положения
• счетчики импульсов
• датчики положения клапанов
• блокировка дверей
• измерители расхода
• бесконтактные реле
• детекторы приближения
• датчики бумаги (в принтерах)

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Они не имеют электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона  и электромагнитного реле. В настоящее время они уже почти полностью заменили герконы.

Что такое датчик Холла в смартфоне и зачем он нужен?

Для осуществления правильной работы современных мобильных телефонов применяют различные функциональные блоки и датчики информирования. На их основе системы, высшие по иерархии, принимают решения о тех или иных действиях. Сегодня речь пойдёт об измерительном элементе, определяющем наличие магнитного поля, его интенсивность и изменение.

Выдающийся физик Эдвин Холл в США в конце XIX века открыл явление искривления пути носителей заряда в полупроводниках, пребывающих в магнитном поле. «Эффект» Холла обладает большими возможностями. С его помощью отслеживается ориентация экрана в пространстве, измеряется магнитная полярность в ракетных двигателях. Датчики отлично работают в бесконтактных выключателях и определителях уровня жидкости.

Для измерения напряжения магнитного поля используют 2 типа устройств: аналоговые и цифровые датчики. У первого вида индукция поля преобразуется в напряжение, где величина зависит от силы и полярности. У второго – при смене полярности и снижении индукции датчик отключает сенсорный экран.

Своё главное применение миниатюрный датчик нашёл в цифровых гаджетах для улучшения их позиционирования, в обеспечении быстрого старта GPS-навигатора. Отличительной особенностью данного устройства является разносторонняя направленность действия:

• С его помощью изменяется величина магнитного потока;
• Реализовывается бесконтактное управление при помощи жестов;
• Автоматически корректируется яркость экрана на изменение освещенности;
• Сменяется ориентация изображения на дисплее при соответственном повороте гаджета, манипуляции в играх и других приложениях;
• Определяется точное направление.

Конечно, это далеко не весь перечень положительных характеристик, присущих этому датчику.

Зачем датчик Холла нужен в смартфоне?

Сенсор, как высокочувствительная часть вещателя, располагается непосредственно под крышкой смартфона или планшета, что позволяет быстро реагировать на любые изменения в пространстве. За счёт работы датчика экономится заряд аккумулятора, улучшается взаимодействие телефона с магнитным чехлом и различными аксессуарами.

В телефонах типа «раскладушки» также используют датчики Холла. С их наличием упрощается работа по включению/выключению экрана во время открывания или закрывания защитной крышки. Аналогичное действие происходит у смартфона с магнитным чехлом, где сенсор молниеносно реагирует на изменения (приближения/удаления) магнитного поля на флипе и регистрирует его. Во время интенсивного излучения дисплей блокируется, при снижении – происходит его активация. При этом сам магнит, вмонтированный в флип чехла, нисколько не вредит смартфону.

Особенно эффект Холла характерен в чехлах с окошком в верхней части, где часть экрана остаётся открытой. В этом случае имеется возможность использовать отдельные функции (звонок, пропущенные вызовы, часы, проигрыватель), не открывая флипа. Магнитоэлектрическое устройство самостоятельно определит, оставить активным весь дисплей или частично. Аналогичным образом работает гаджет при использовании чехлов без «окошек».

При приобретении нового смартфона определить наличие или отсутствие датчика Холла можно самостоятельно. Стоит отметить, что не все производители указывают его присутствие, поэтому нужно внимательно изучить краткий перечень характеристик. Устройство находят и другим методом, проанализировав чехлы к своему мобильному устройству. Например, на обложке Smart Case к смартфону или планшету на 100% имеется установленный датчик Холла. По аналогии проводится анализ других чехлов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также

Поделитесь в соцсетях:

• org/Comment» itemscope=»»>

  2

  0

  2016-12-17T19:32:45+00:00

  А как при покупке нового смартфона (планшета) самому определить имеет ли он датчик Холла или не имеет? И еще вопрос а в старых раскладушках 2006-2010 годов также использовался датчик Холла?

• 1

  0

  2016-11-27T23:50:56+00:00

  Цифровые датчики Холла определяют есть ли магнитное поле или нет. То бишь, если индукция достигает определенного порога, то датчик сообщает о наличии магнитного поля в виде логической единицы (истина).

  При относительно слабой индукции датчик не определит наличие магнитного поля. Это логический ноль (ложь). Такие датчики бывают «Униполярными» и «Биполярными».

  Первые срабатывают только при наличии поля определённой полярности и отключаются при снижении индукции поля, а вторые срабатывают только на смену полярности поля. То бишь одна полярность включает датчик, а другая отключает. Вот так примерно это происходит на простом языке.

  P.S. На изображении показан принцип эффекта Холла.

• 1

  0

  2016-11-27T21:11:49+00:00

  Спасибо, хорошая статья! Теперь немного лучше стал понимать принцип работы сенсорного экрана. Я-то думал, что весь контроль происходит за счет изменения общей емкости конденсаторов монитора. Только вот все же непонятно, как за счет датчика Холла контролируется управление смартфоном? Ведь из-за простого перемещения в пространстве на небольшие расстояния магнитное поле не может меняться сильно?

Что такое датчик Холла в телефоне?

В смартфонах и планшетах могут применяться сразу несколько датчиков, которые помогают устройству считывать дополнительную информацию. Некоторое время назад мы рассказывали об акселерометре. Сегодня поговорим о другом датчике, а именно — о датчике Холла.

Что это такое?

Датчик Холла, использующийся в современных мобильных устройствах, представляет из себя измерительный элемент, который способен определять наличие, интенсивность и изменение интенсивности магнитного поля. Датчик назван по имени американского физика Эдвина Холла, в честь которого был назван открытый в 1879 году «эффект Холла» — явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Суть в следующем: если в магнитное поле поместить пластину под напряжением, электроны в пластине начнут отклоняться перпендикулярно направлению магнитного потока. Плотность электронов на разных сторонах пластины будет различаться, что в свою очередь приводит к разности потенциалов, которую улавливает датчик Холла.

Вот как выглядит датчик:

Для чего нужен датчик Холла в планшете или смартфоне?

Сам по себе датчик обладает достаточно широкими возможностями, хотя обычно его применяют по своему прямому назначению, измеряя напряженность магнитного поля. В частности, датчик используется в ракетных двигателях, в системе зажигания ДВС, для измерения уровня жидкости и т.п.

Встречается датчик и в современных мобильных устройствах, однако его возможности реализованы не в полной мере. Датчик фактически используется только в двух основных задачах:

• Первая — это ставший уже привычным для обладателей смартфонов цифровой компас, который в том числе применяется для улучшения позиционирования.

• Вторая задача, куда более актуальная, — это взаимодействие с популярными чехлами для смартфонов и планшетов.

Магнитные чехлы

Вы наверняка видели так называемые магнитные чехлы как для смартфонов, так и для планшетов. Они позволяют блокировать и разблокировать устройство при открытии/закрытии чехла.

Как это возможно? Установленный в устройстве датчик Холла реагирует на магнит, который расположен в самом чехле. Когда магнит расположен близко к устройству, датчик регистрирует усиление излучения, в результате чего блокирует дисплей. Такие чехлы часто имеют приставку Smart — «умный».

Когда пользователь открывает флип-чехол (чехол-книжка), датчик фиксирует уменьшение интенсивности излучения и разблокирует экран.

А что, если чехол имеет специальное окошко, в котором показывается информация, даже если чехол закрыт? В таком случае датчик Холла тоже используется — он дает команду на переключение между различными режимами работы дисплея, то есть выводит в окошко только определенную информацию, например, время, дату, уведомления. Пример такого чехла — от компании Samsung:

И кстати, если используется экран, созданный по технологии AMOLED, в силу особенности технологии показываемая информация в окошке практически никак не сказывается на расходе энергии аккумулятором.

Есть ли в моем смартфоне датчик Холла?

Есть с вероятностью в 99%. Большинство производителей указывают его в характеристиках к смартфону, но не всегда. В этом случае обратите внимание на аксессуары: если имеются умные магнитные чехлы, значит, датчик Холла в смартфоне точно имеется.

Датчик Холла в телефоне или планшете – что это?

Датчик Холла, служащий для определения наличия магнитного поля, носит имя ученого — физика, открывшего одноименный принцип. А именно: было обнаружено, что в проводнике, попадающем в магнитное поле, изменялось напряжение тока, появляется ЭДС (электродвижущая сила). Подобные элементы устройств бывают цифровые и аналоговые.

Этот датчик определяет наличие магнитного поля.

Зачем нужен датчик Холла? Если магнитное поле есть, прибор показывает цифру — его величину. Причем аналоговый показывает его полярность, помимо значения. А цифровой при отсутствии поля выдает «ноль», в присутствии — некоторую цифру.

Области применения датчиков Холла

Датчиками Холла укомплектованы многие устройства, а также они применяются сами по себе для измерения напряженности поля. Это электрические и ракетные двигатели, система зажигания автомобилей, измерители, приборы с бесконтактным воздействием.

Датчик Холла помогает автоматически отключать экран девайса, когда чехол закрыт.

Устройства для мобильной связи также содержат в своем составе этот сенсор. За что отвечает датчик Холла в смартфоне? В современном устройстве мобильной связи данный прибор является измерительным элементом, распознающим присутствие, отсутствие, интенсивность и изменение магнитного поля. Возможности датчика не ограничиваются измерениями. Также он определяет наличие возможности бесконтактного взаимодействия.

На датчике Холла основан магнитометр, присутствующий во многих «навороченных» и продвинутых мобильных устройствах. Но не во всех случаях подобная возможность реализуется полностью. В основном, это две следующие функции.

• Компас для программ навигации, позволяющий быстрее определять местоположение и направление.
• Взаимодействие смартфона с аксессуарами, например, с магнитным чехлом, блокирующим экран при его открытии. Или включение, выключение дисплея в раскладных телефонах при движении крышки.

Принцип действия датчика

Контролируя состояние устройства, датчик Холла осуществляет бесконтактное переключение от нерабочего режима к рабочему и обратно. Бесконтактный способ исключает загрязнение и механические нагрузки. Можно представить себе этот элемент в виде пластины из полупроводника с малой толщиной.

Когда постоянный ток проходит через него, на краях появляется малое напряжение. Магнитное поле, как известно, проходит перпендикулярно электрическому и усиливает эту величину пропорционально магнитной индукции. Датчик Холла создает электрические импульсы с низким напряжением, что и нашло применение в бесконтактных системах, реализующих принцип сенсорного реагирования.

Датчик Холла в устройствах мобильной связи: планшетах, смартфонах, телефонах

При наличии датчика Холла (Hall sensor) в конструкции смартфонов и планшетов, особенно дорогостоящих, он выполняет функцию реагирования на усиление поля. Производители не указывают присутствие этого элемента в устройстве. Но «умный чехол», имеющийся в числе аксессуаров для планшета, смартфона, обязательно связан с ним. С помощью этого дополнения планшет разблокируется или блокируется при открытии и закрытии соответственно.

В чехол встроен магнит, реагирующий на датчик Холла в планшете. Когда оболочка закрыта, магнит находится рядом с сенсором Холла, что блокирует экран. При открытии «книжки» — чехла магнит отдаляется, экран включается. Такое дополнение к планшету не вредит самому устройству, как некоторые могут подумать.

Ранее сенсором Холла были снабжены только самые выдающиеся устройства от ведущих фирм. Сейчас магнитометр встречается во многих телефонах. Он управляет многими возможностями, например, листает фотографии посредством жестов.

Датчик Холла в телефоне реализует не все функции из-за недостатка места, экономии потребления энергии и финансовой нецелесообразности. Однако, он ускоряет поиск GSM в устройствах, взаимодействует с дополнениями типа чехла, с помощью которого сенсор принимает решения по активизации экрана.

Как пример, вот вам несколько смартфонов, в которых установлен датчик Холла. К ним относятся:

А в твоем смартфоне установлен датчик Холла? Используешь ли ты его возможности на полную катушку? Напиши об этом в комментариях!

4. 3
/
5
(
3

голоса
)

Hall sensor — это… Что такое Hall sensor?

Датчики Холла и как в них не запутаться

Думаю, многие слышали про датчик на основе эффекта Холла. Это такая волшебная деталька (чаще в корпусе TO-92), которая чует магнитные поля. Однако эти датчики бывают разных типов, и не все типы одинаково полезны (сюрприз, все типы полезны по-разному). Так что приглашаю познакомиться с ними поближе.

Для справки пара слов о принципе работы. Если взять проводник с током и поместить его в магнитное поле, то траектория носителей заряда начинает загибаться под действием силы Лоренца. В итоге с разных боков проводника возникает разность потенциалов, в чем и есть суть эффекта Холла. По этой разности потенциалов можно судить, сколь сильно магнитное поле.

Но хватит энциклопедировать, перейдем ближе к делу. По большому счету датчики Холла можно поделить на две категории:

• Цифровые (обычно с открытым коллектором) — выход может быть в одном из двух состояний в зависимости о того, как магнитный поток отличается от порога срабатывания.
• Аналоговые (линейные) — выход, как можно догадаться, аналоговый и пропорциональный магнитному потоку.

Аналоговые датчики Холла сделали возможным измерение постоянного тока без шунта, при помощи клещей. Кроме того, их можно приспособить под измерение расстояния или угла поворота, что может пригодиться при измерениии уровня жидкости. На тему угла поворота TI сделала очень наглядный аппноут SLYA034A.

Но обычно все же приходится сталкиваться с цифровыми датчиками. Они используются, когда достаточно знать о наличии или отсутствии магнитной метки в определенном месте. Если поместить такую метку на вращающийся предмет, то можно соорудить тахометр, или синхронизировать с оборотами определенные действия. Поэтому такой датчик можно встретить системе зажигания практически любого автомобиля с ДВС, а так же в POV-дисплеях и прочих 3D-глобусах.

Цифровые датчики Холла имеют два важных параметра — B_OP (operating point) и B_RP (release point). По-русски можно понять примерно как «индукция срабатывания» и «индукция выключения». Разница между ними — гистерезис датчика.

По значениям этих двух параметров цифровые датчики Холла принято делить на 4 вида:

• Униполярные — срабатывают в присутсвии магнитного поля определенного знака (один полюс магнита). Выключаются в отсутствии поля. Ожидаем увидеть B_OP и B_RP одного знака.
• Биполярные — срабатывают от одного полюса магнита, выключаются от другого. При отсутствии поля залипают в гистерезисе и сохраняют предыдущее состояние. Ожидаем B_OP и B_RP с разными знаками.
• Омниполярные (всеполярные) — срабатывают от любого полюса магнита. Выключаются в отсутсвии поля.
• Latching — по сути биполярные датчики, которые выделяют в отдельную категорию. Отличаются вроде бы тем, что у них шире гистерезис и точки B_OP и B_RP расположены строго симметрично относительно нуля.

Поскольку статья с картинками всегда понятнее, чем статья без картинок, я сделал несколько наглядных анимаций: униполярные, биполярные, омниполярные. Правда, на случай мобильного или корпоративного инета с трафиком встроил только одну, другие две могут быть достигнуты по ссылкам.

Какой датчик выбирать из этого зоопарка — зависит от задачи. В случаях, где нужно просто отслеживать наличие метки, как в детекторе приближения или тахометре, подойдут униполярные или омниполярные датчики. Причем омниполярные могут быть предпочтительнее, если есть риск установить магнит не той стороной и тем самым «ослепить» устройство. Биполярные датчики напрашиваются в бесколлекторные двигатели (BLCD), поскольку ротор в них имеет кучу чередующихся полюсов, но униполярные тоже подойдут. В отличие от омниполярных, у которых от такого ротора попа слипнется выход практически всегда будет в одном состоянии.

Магнитный датчик положения, датчик Холла PNP, серии DSM №W0950000222 Metal Work Pneumatic

Описание:

Магнитный датчик положения, датчик Холла, серии DSM №W0950000222 — заводское обозначение E.HALL PNP sensor DSM3-N225 3-х проводный датчик Холла PNP с нормально-разомкнутым контактом.

Датчики играют важную роль в согласованной работе пневмооборудования и пневмолинии. Магнитные датчики положения предназначены для обнаружения положения поршня пневмоцилиндра. Магнитные датчики положения устанавливаются либо в прорезь цилиндров либо на корпус с помошью специальных монтажных приспособлений. На поршне цилиндра имеется магнитное кольцо которое создает магнитное поле фиксируемое магнитным датчиком.

Датчик Холла (Hall) — это полупроводниковое устройство, через которое во время работы проходит электрический ток и возникает разность потенциалов, которая пропорциональна напряжённости магнитного поля. Принцип действия данных датчиков основан на эффекте Холла. Основные достоинства таких датчиков это отсутствие механических движущихся частей, высокая чувствительность к магнитному полю, высокое быстродействие и исключительно высокий ресурс работы. В отличии от герконов, они могут выдавать только управляющий сигнал напряжения и не могут коммутировать силовые электрические цепи.

Датчики могут быть выполнены по схеме “открытый коллектор” (NPN) и “источник тока” (PNP). Представленный датчик выполнен с нормально-разомкнутым контактом (замыкает электрическую цепь в присутствии магнитного поля).

Датчик Холла применяется на цилиндрах серии STD, TP ISO 6432, ISO 15552 и др. Крепится к цилиндрам за счет круглых хомутов либо специальных крепежей.

• Тип: Датчик Холла, PNP, 3-х проводный
• Контакт: Нормально-разомкнутый (NO)
• Напряжение питания: 6-24 VDC
• Максимальный ток нагрузки: 250 мА
• Время вкл./выкл.: 0,8/3 мсек
• Длина кабеля: 2,5 м

Аналоги: Серия CST-CSV-CSH, SME, SMT, SMEO, SMPO, SMTO, SMTSO, SMH, SMAT, CRSMEO, CRSMT, D-A93.

Copyright © ООО «Пневмоэлемент» 2017  Все права защищены

Производитель: Metal Work Pneumatic

Заказать

Что такое датчик Холла?

Датчик на эффекте Холла — это электронное устройство, предназначенное для обнаружения эффекта Холла и преобразования его результатов в электронные данные, для включения и выключения цепи, для измерения переменного магнитного поля или обработки с помощью встроенного компьютера. или отображается в интерфейсе. В 1879 году ученый Эдвин Холл обнаружил, что если магнит поместить перпендикулярно проводнику с постоянным потоком тока, электроны, протекающие внутри проводника, притягиваются в одну сторону, создавая разность потенциалов в заряде (т.е. Напряжение). Таким образом, эффект Холла указывает на наличие и величину магнитного поля вблизи проводника.

Используя магнитные поля, датчики на эффекте Холла используются для обнаружения таких переменных, как близость, скорость или смещение механической системы. Датчики на эффекте Холла являются бесконтактными, что означает, что они не должны контактировать с физическим элементом. Они могут генерировать цифровой (включенный и выключенный) или аналоговый (непрерывный) сигнал в зависимости от их конструкции и предполагаемой функции.

Переключатели и защелки на эффекте Холла включены или выключены. Переключатель на эффекте Холла включается при наличии магнитного поля и выключается при удалении магнита. Защелка на эффекте Холла включается (закрывается) при приложении положительного магнитного поля и остается включенной даже при удалении магнита. При наложении отрицательного магнитного поля защелка на эффекте Холла отключается (открывается) и остается выключенной даже после удаления магнита.

Линейные датчики Холла (аналоговые) обеспечивают точные и непрерывные измерения на основе напряженности магнитного поля; они не включаются и не выключаются.В датчике на эффекте Холла элемент Холла передает разность электрических потенциалов (напряжение, вызванное магнитными помехами) в усилитель, чтобы сделать изменение напряжения достаточно большим, чтобы оно было воспринято встроенной системой.

Датчики

на эффекте Холла используются в сотовых телефонах и GPS, сборочных линиях, автомобилях, медицинских устройствах и многих устройствах Интернета вещей. Ожидается, что рынок датчиков на эффекте Холла будет расти более чем на 10% в год и к 2026 году достигнет 7,55 млрд долларов.

Как работают датчики на эффекте Холла

Как работают датчики на эффекте Холла.

Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 13 августа 2020 г.

Измерить электричество очень просто — мы
все знакомы с электрическими единицами, такими как вольт, ампер и ватт (и большинство из нас видели
счетчики с подвижной катушкой
в той или иной форме). Немного сложнее измерить магнетизм. Спросите больше всего
люди, как измерить силу магнитного поля (невидимое
область магнетизма, простирающаяся вокруг магнита) или единицы в
какая напряженность поля измеряется (Вебер или тесла, в зависимости от того, как
вы измеряете), и они не будут иметь ни малейшего понятия.

Но есть простой способ измерить магнетизм прибором.
называется датчиком или зондом на эффекте Холла, который использует хитроумный элемент
наука, открытая в 1879 году американским физиком
Эдвин Х. Холл
(1855–1938). Работа Холла была гениальной и на много лет опередила свое время — на 20 лет
до открытия электрона — и никто не знал, что с ним делать, пока спустя десятилетия не стали лучше разбираться в полупроводниках, таких как кремний. В наши дни Эдвин Холл был бы в восторге
найти датчики, названные в его честь, используются во всех
виды интересных способов.Давайте посмотрим поближе!

Фото: Магнитное испытательное оборудование, используемое для изучения эффекта Холла.
Фото любезно предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией и Министерством энергетики США.

Что такое эффект Холла?

Работая вместе, электричество и магнетизм могут заставить вещи двигаться:
электродвигатели, громкоговорители и
наушники — лишь некоторые из незаменимых
современные гаджеты, которые так работают. Отправить колеблющийся электрический
ток через катушку из медного провода и (хотя вы этого не видите
происходит) вы создадите временное магнитное поле вокруг катушки
тоже.Поместите катушку рядом с большим постоянным магнитом и временным
магнитное поле, создаваемое катушкой, будет либо притягивать, либо отталкивать
магнитное поле от постоянного магнита. Если катушка свободна
двигаться, он будет двигаться — либо к постоянному магниту, либо от него. В
электродвигатель, катушка настроена так, что может вращаться на месте
и поверните колесо; в громкоговорителях и
наушники, катушка приклеена
на кусок
бумага, пластик или
ткань, которая движется вперед и назад, чтобы
выкачать звук.

Фото: магнитное поле не видно, но его можно измерить с помощью эффекта Холла.фото
любезно предоставлено Wikimedia Commons.

“ Если электрический ток в фиксированном проводе
сам притягивается магнитом, ток должен отводиться на одну сторону провода … ”

Эдвин Холл , 1879

Что, если поместить кусок токоведущего провода в магнитное поле, а провод?
не может двигаться? То, что мы называем электричеством, обычно представляет собой поток
заряженные частицы через кристаллические (обычные, твердые) материалы (либо отрицательно заряженные электроны изнутри атомов, либо иногда положительно заряженные «дыры» — зазоры там, где должны находиться электроны).Вообще говоря, если подцепить пластину из проводящего материала к батарее,
электроны будут проходить через пластину по прямой линии. Как движущиеся электрические заряды,
они также будут создавать магнитное поле. Если вы поместите плиту между
полюса постоянного магнита, электроны отклонятся в
изогнутый путь, когда они движутся через материал, потому что их собственная
магнитное поле будет взаимодействовать с полем постоянного магнита.
(Для справки, то, что заставляет их отклоняться, называется
Сила Лоренца, но нам не нужно здесь вдаваться во все детали.)
Это означает, что одна сторона материала будет видеть больше электронов, чем
другой, так что разность потенциалов (напряжение) появится на
материал под прямым углом к ​​магнитному полю от
постоянный магнит и ток. Это то, что физики называют эффектом Холла.
Чем больше магнитное поле, тем больше отклоняются электроны; чем больше ток,
тем больше электронов нужно отклонить. В любом случае, чем больше
разность потенциалов (известная как напряжение Холла) будет.В другом
словами, напряжение Холла пропорционально величине как электрического
ток и магнитное поле. Все это имеет больше смысла в
наша небольшая анимация ниже.

Как работает эффект Холла?

1. Когда электрический ток течет через материал, электроны (показаны здесь синими пятнами) движутся через него практически по прямой линии.
2. Поместите материал в магнитное поле, и электроны внутри него тоже будут в этом поле. На них действует сила (сила Лоренца) и заставляет отклоняться от их прямолинейного пути.
3. Теперь, глядя сверху, электроны в этом примере будут изгибаться, как показано: с их точки зрения слева направо. Если на правой стороне материала (внизу на этой картинке) больше электронов, чем на левой (вверху на картинке), между двумя сторонами будет разница в потенциале (напряжении), как показано зеленым линия со стрелками. Величина этого напряжения прямо пропорциональна величине электрического тока и напряженности магнитного поля.

Куда они идут?

Как определить, в каком направлении будут двигаться электроны? Вы можете определить направление силы Лоренца с помощью правила левой руки Флеминга (если вы сделаете поправку на обычный ток) или его правила правой руки (если вы этого не сделаете).

Иллюстрация: заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, испытывают силу (сила Лоренца), которая меняет свое направление, вызывая эффект Холла. Вы можете использовать правило левой руки Флеминга (правило двигателя), чтобы определить направление силы, если вы помните, что правило применяется к обычному току (поток положительных зарядов), а поле течет с севера на юг. В этом примере, если у нас есть поток электронов на страницу, обычный ток вытекает из страницы (так что это направление, в котором должен указывать ваш второй палец).Если поле течет слева направо (указательный палец), наш большой палец говорит нам, что электроны будут двигаться вверх.

Использование эффекта Холла

Вы можете обнаруживать и измерять все виды вещей с помощью эффекта Холла, используя то, что известно.
как датчик или зонд на эффекте Холла. Эти термины иногда используются
взаимозаменяемо, но, строго говоря, относятся к разным вещам:

• Датчики на эффекте Холла простые, недорогие,
  электронные чипы, которые используются
  во всевозможных широко доступных гаджетах и ​​товарах.
• Зонды на эффекте Холла — более дорогие и сложные инструменты.
  в научных лабораториях для таких вещей, как измерение напряженности магнитного поля с очень высокой точностью.

Фото: 1) Типичный кремниевый датчик Холла. Это выглядит
очень похоже на транзистор — что неудивительно, поскольку он сделан аналогичным образом.
Автор фото: Expainthatstuff.com. 2) Зонд на эффекте Холла, использовавшийся НАСА в середине 1960-х годов. Фото любезно предоставлено
Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Обычно изготавливается из полупроводников (таких материалов, как кремний и германий), эффект Холла
датчики работают, измеряя напряжение Холла на двух поверхностях
когда вы помещаете их в магнитное поле. Некоторые датчики Холла
упакованы в удобные микросхемы со схемой управления и могут быть
подключается непосредственно к более крупным электронным схемам. Самый простой способ
использование одного из этих устройств позволяет определить положение чего-либо. Для
Например, вы можете разместить датчик Холла на дверной коробке и магнит
на двери, поэтому датчик определяет, открыта дверь или закрыта
от наличия магнитного поля.Такое устройство называется
датчик приближения. Конечно, вы можете выполнять ту же работу так же легко
с магнитным герконом
(нет общего правила относительно того,
герконовые переключатели старого образца или современные датчики на эффекте Холла лучше — это
зависит от приложения). В отличие от герконов, которые являются механическими и полагаются на контакты
движущиеся в магнитном поле датчики Холла полностью электронные и не имеют движущихся частей, поэтому
(по крайней мере теоретически) они должны быть надежнее. Одна вещь, которую вы не можете сделать с герконом, — это определить степень «включения» — силу магнетизма, — потому что геркон либо включен, либо выключен.Вот что делает датчик на эффекте Холла таким полезным.

Рекламные ссылки

Для чего используются датчики на эффекте Холла?

Фото: Этот небольшой бесщеточный двигатель постоянного тока из старого дисковода для гибких дисков имеет три датчика Холла.
(обозначены красными кружками), расположенные по его краю, которые обнаруживают движение ротора двигателя (вращающегося постоянного магнита) над ними (не показано на этой фотографии). На датчики особо не на что смотреть, как вы можете видеть на фото крупным планом справа!

Датчики на эффекте Холла

дешевы, прочные и надежные, крошечные и простые в использовании.
так что вы найдете их во множестве разных машин и повседневных устройств,
от автомобильных зажиганий до компьютерных клавиатур и заводских роботов до велотренажеров

Вот один очень распространенный пример, который вы сейчас можете использовать на своем компьютере.В
бесщеточный двигатель постоянного тока (используется в таких устройствах, как жесткие и гибкие диски), вам необходимо в любой момент точно определить, где находится двигатель. Датчик Холла
расположенный рядом с ротором (вращающаяся часть двигателя) сможет
очень точно определить его ориентацию, измеряя вариации
магнитное поле. Подобные датчики также можно использовать для измерения скорости.
(например, чтобы посчитать, насколько быстро колесо или двигатель автомобиля
кулачок или коленчатый вал вращается). Вы часто найдете
их в электронных спидометрах
и анемометры (измерители скорости ветра), где они могут быть использованы
аналогично герконовым переключателям.

Революционное открытие Эдвина Холла прижилось за несколько десятилетий, но теперь оно
используется в самых разных местах — даже в электромагнитных космических ракетных двигателях.
Без преувеличения можно сказать, что новаторская работа Холла произвела на меня большое впечатление!

Изображение: Как упакован типичный датчик Холла. Магнитные поля могут быть очень маленькими, поэтому нам нужно, чтобы наши детекторы были как можно более чувствительными, и вот один из способов добиться этого. Сам чип Холла (зеленый, 17) установлен на железной несущей пластине (серый, 16), зажатой внутри двух литых пластиковых секций (серый, 11, 12).Микросхема подключена выводами (19) к контактам (синим), с помощью которых ее можно подключить в цепь. Но действительно важными частями являются два «концентратора потока» из мягкого железа (оранжевый, 15, 21), которые делают устройство намного более чувствительным. Когда вы помещаете магнит (22) рядом с датчиком, эти концентраторы позволяют магнитному потоку («плотность» магнетизма, создаваемого магнитным полем) течь по непрерывной петле через кристалл Холла, создавая либо положительное, либо отрицательное напряжение. Если магнит переместится на другую сторону датчика, он создаст противоположное напряжение.Иллюстрация из патента США № 3 845 445: Модульное устройство на эффекте Холла Роланда Брауна и др., Корпорация IBM, 29 октября 1974 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Статьи

История

• [PDF] Открытие эффекта Холла Дж. С. Лидстоуном, Physics Education, Volume 14, 1979. Как Холл открыл свой эффект и выяснил, что он означает, оспаривая некоторые из более ранних работ Джеймса Клерка Максвелла.

Статьи Эдвина Холла

• О новом действии магнита на электрические токи.
  Эдвин Х. Холл, Американский журнал математики, Vol. 2, No. 3 (сентябрь 1879 г.), стр. 287–292. Оригинальная статья Холла.
• Объяснение феномена Холла Эдвином Х. Холлом,
  Наука, Vol. 3, № 60 (28 марта 1884 г.), стр. 386–387. Собственное описание и объяснение Холла своего первоначального эксперимента.
• Теория эффекта Холла и связанного с ним эффекта для нескольких металлов Эдвина Х.Холл, PNAS США, Vol. 9, No. 2 (15 февраля 1923 г.), стр. 41–46. Одна из более поздних работ Холла.

Книги

• Датчики на эффекте Холла: теория и применение Эдварда Рамсдена. Newnes, 2006. Охватывает физику, лежащую в основе датчиков Холла, и способы их включения в практические схемы. Включает в себя датчики приближения, датчики тока и датчики скорости и времени. Также есть удобный глоссарий и список поставщиков.
• Устройства на эффекте Холла Р. С. Поповича. Институт физики, 2004.Несколько более крупная и подробная книга, но охватывающая схожую тему с смесью теории, практических схем и повседневных приложений.
• Эффект Холла в металлах и сплавах Колина Херда. Springer 1972/2012. Современное переиздание вступления 1970-х годов.

Практические проекты

Видео

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2020) Датчики на эффекте Холла. Получено с https://www.explainthatstuff.com/hall-effect-sensors.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла

В этом уроке мы узнаем, что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

РЕКОМЕНДУЕТСЯ

Обзор

Эффект Холла — это наиболее распространенный метод измерения магнитного поля, а датчики на эффекте Холла очень популярны и находят множество современных применений.Например, их можно найти в транспортных средствах в качестве датчиков скорости вращения колес, а также датчиков положения коленчатого или распределительного вала. Также они часто используются как переключатели, компасы MEMS, датчики приближения и так далее. Теперь мы рассмотрим некоторые из этих датчиков и посмотрим, как они работают, но сначала давайте объясним, что такое эффект Холла.

Что такое эффект Холла?

Вот эксперимент, объясняющий эффект Холла: если у нас есть тонкая проводящая пластина, как показано на рисунке, и мы настроим ток, протекающий через нее, носители заряда будут течь по прямой линии от одной стороны пластины к другой.

Теперь, если мы поднесем некоторое магнитное поле к пластине, мы нарушим прямой поток носителей заряда из-за силы, называемой Сила Лоренца (Википедия). В таком случае электроны отклонятся на одну сторону пластины, а положительные отверстия — на другую сторону пластины. Это означает, что если мы теперь поместим измеритель между двумя другими сторонами, мы получим некоторое напряжение, которое можно измерить.

Итак, эффект получения измеримого напряжения, как мы объясняли выше, называется эффектом Холла в честь Эдвина Холла, который открыл его в 1879 году.

Датчики на эффекте Холла

Базовый элемент Холла магнитных датчиков на эффекте Холла в основном обеспечивает очень небольшое напряжение, всего несколько микровольт на гаусс, поэтому эти устройства обычно производятся со встроенными усилителями с высоким коэффициентом усиления.

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

С другой стороны, цифровые выходные датчики обеспечивают только два состояния выхода: «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Датчики этого типа имеют дополнительный элемент, как показано на принципиальных схемах. Это триггер Шмитта, который обеспечивает гистерезис или два разных пороговых уровня, поэтому выходной сигнал может быть высоким или низким. Для получения более подробной информации о том, как работает триггер Шмитта, вы можете проверить это в моем конкретном руководстве.

Примером датчика этого типа является переключатель на эффекте Холла. Они часто используются в качестве концевых выключателей, например, в 3D-принтерах и станках с ЧПУ, а также для обнаружения и позиционирования в системах промышленной автоматизации.

Другим современным применением датчиков Холла является измерение скорости вращения колеса / ротора или числа оборотов в минуту, а также определение положения коленчатого или распределительного вала в системах двигателя. Эти датчики состоят из элемента Холла и постоянного магнита, которые расположены рядом с зубчатым диском, прикрепленным к вращающемуся валу.

Зазор между датчиком и зубьями диска очень мал, поэтому каждый раз, когда зуб проходит рядом с датчиком, изменяется окружающее магнитное поле, в результате чего выходной сигнал датчика становится либо высоким, либо низким. Таким образом, выходной сигнал датчика представляет собой прямоугольный сигнал, который можно легко использовать для расчета числа оборотов вращающегося вала.

Что такое датчик Холла?

Автор: Морин ВанДайк | 27 ноября, 2019

Датчики на эффекте Холла

используются для обнаружения и измерения приближения, положения и скорости благодаря их способности распознавать магнитные поля.В качестве бесконтактных датчиков они полезны для измерения переменного и постоянного тока. В этом блоге будут объяснены принципы, лежащие в основе датчиков на эффекте Холла, и их промышленное применение.

Что такое датчик на эффекте Холла?

Эффект Холла, названный в честь его первооткрывателя Эдвина Холла, относится к генерации напряжения в проводнике с током, перпендикулярном направлению тока, когда проводник погружен в магнитное поле. Датчик на эффекте Холла представляет собой тонкий кусок проводника, по длине которого течет ток, и датчик напряжения, подключенный по его ширине.

Когда электрический ток проходит через датчик в магнитном поле, датчик регистрирует небольшое напряжение. Это напряжение можно использовать для измерения колебаний магнитного поля, вызванных изменениями положения, близости, давления, скорости, температуры или других факторов.

Поскольку датчики на эффекте Холла не имеют движущихся частей, они более надежны и долговечны, чем герконы. Однако они также более дорогие, поскольку через них протекает постоянный электрический ток.

Типы датчиков Холла

Датчики

на эффекте Холла делятся на две категории: аналоговые и цифровые. Аналоговые датчики выдают постоянно изменяющееся выходное напряжение, в то время как цифровая версия имеет только два выходных напряжения: высокое или низкое.

Некоторые подкатегории переключателей на эффекте Холла включают:

Пластинчатый

Это цифровые датчики приближения, которые обнаруживают наличие или отсутствие железной лопасти, которая проходит через зазор между двумя компонентами лопаточного датчика: постоянным магнитом и датчиком на эффекте Холла.

Цифровой ток

Этот датчик также имеет два компонента в непосредственной близости: датчик Холла и электромагнит. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом при прохождении тока через его катушки, изменяет выходной сигнал датчика Холла.

Линейный ток

Аналогичен цифровому датчику тока, но имеет аналоговый выход.

Ток обратной связи

Также называемые датчиками тока нулевого баланса, они работают, обнуляя воспринимаемое магнитное поле, управляя током, полученным на выходе датчика.Хотя они обладают отличными характеристиками отклика, точности и линейности, они громоздки и дороги из-за дополнительных компонентов, необходимых для генерации тока нулевого баланса.

Зуб шестерни

Как следует из названия, эти датчики обнаруживают зубья шестерни, когда они проходят мимо датчика. Датчики зубьев шестерни аналогичны датчикам с лопастным приводом, но имеют дополнительную схему для точного измерения скорости. Они используются в различных приложениях для подсчета и измерения скорости.

Приложения для датчиков Холла

Как видно из различных категорий датчиков, упомянутых выше, датчики на эффекте Холла могут использоваться в широком диапазоне приложений, например:

• Автоматизированная обработка продуктов
• Оборудование с ЧПУ
• Компакторы / Пресс-подборщики
• Датчики движения
• Датчики положения (например, двери)
• Робототехника (например, концевые выключатели)
• Защитные блокировки (например: аварийные выключатели безопасности)

Рекомендации по проектированию датчика на эффекте Холла

Важными факторами, влияющими на конструкцию датчика Холла, являются:

• Магнитные поля. Поле, создаваемое магнитом, зависит от его формы и размера, материала, из которого он изготовлен, материала на пути магнитного потока и от того, используется ли он в качестве униполярного или биполярного магнита.
• Электрооборудование. Какой максимальный ток должен выдержать датчик? Есть ли источник постоянного напряжения для питания датчика? Какой максимальный поток он испытает? Выход должен быть аналоговым или цифровым?
• Операционная среда. Температурный диапазон, в котором должен работать датчик, является важным фактором окружающей среды. Для наружного применения может потребоваться водонепроницаемый корпус для защиты от дождя и снега.
• Как и в случае со всеми промышленными компонентами, стоимость датчиков Холла является важным вопросом. Диапазон рабочих температур, требования к упаковке, точность и чувствительность выходного сигнала, а также другие характеристики, требуемые приложением, определяют окончательную стоимость датчика Холла.

Датчики на эффекте Холла от MagneLink

MagneLink имеет более чем 25-летний опыт разработки высококачественных индивидуальных магнитных переключателей и датчиков.Свяжитесь с нами по всем вопросам, касающимся магнитного переключателя на эффекте Холла.

Опубликовано в Переключатель на эффекте Холла
Датчики на эффекте Холла

| Allegro MicroSystems

Датчики на эффекте Холла

Автор: Шон Милано, Allegro MicroSystems

Скачать PDF версию

Абстрактные

Allegro MicroSystems — мировой лидер в разработке, производстве и маркетинге высокопроизводительных интегральных схем датчика Холла.Эта статья дает общее представление об эффекте Холла и о том, как Allegro разрабатывает и реализует технологию Холла в корпусных полупроводниковых монолитных интегральных схемах.

Принципы эффекта Холла

Эффект Холла назван в честь Эдвина Холла, который в 1879 году обнаружил, что потенциал напряжения возникает на токопроводящей проводящей пластине, когда магнитное поле проходит через пластину в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, как показано на нижнем рисунке. панель рисунка 1.

Фундаментальным физическим принципом, лежащим в основе эффекта Холла, является сила Лоренца, которая проиллюстрирована на верхней панели рисунка 1. Когда электрон движется в направлении v, перпендикулярном приложенному магнитному полю B, он испытывает силу F , сила Лоренца, нормальная как к приложенному полю, так и к току.

Рис. 1. Эффект Холла и сила Лоренца. Синие стрелки B обозначают магнитное поле, проходящее перпендикулярно проводящей пластине.

В ответ на эту силу электроны движутся по изогнутой траектории вдоль проводника, и на пластине возникает общий заряд и, следовательно, напряжение. Это напряжение Холла, V _H , подчиняется приведенной ниже формуле, которая показывает, что V _H пропорционально напряженности приложенного поля и что полярность V _H определяется направлением, северным или южным, приложенное магнитное поле. Благодаря этому свойству эффект Холла используется в качестве магнитного датчика.

где:

• V _H — напряжение Холла на проводящей пластине,
• I — ток, проходящий через пластину,
• q — величина заряда носителей заряда,
• ρn — количество носителей заряда в единице объема, а
• t — толщина листа.

Полупроводниковые интегральные схемы Allegro содержат элемент Холла, поскольку эффект Холла применяется как к проводящим пластинам, так и к полупроводниковым пластинам.Используя эффект Холла в полностью интегрированной монолитной ИС, можно измерить напряженность магнитного поля и создать широкий спектр интегральных схем с эффектом Холла для множества различных приложений.

Переключатель Allegro Hall активируется положительным магнитным полем, создаваемым южным полюсом. Положительное поле включает выходной транзистор и соединяет выход с GND, действуя как устройство с активным низким уровнем.

Поле, необходимое для активации устройства и включения выходного транзистора, называется магнитной рабочей точкой и обозначается сокращенно B _OP .Когда поле убирается, выходной транзистор выключается. Поле, необходимое для выключения устройства после его активации, называется точкой магнитного срабатывания, или B _RP . Разница между B _OP и B _RP называется гистерезисом и используется для предотвращения дребезга переключения из-за шума.

Allegro также производит магнитные защелки и линейные устройства. Магнитные защелки включаются с помощью южного полюса (B _OP ) и выключаются с помощью северного полюса (B _RP ).Требование северного полюса для деактивации защелки отделяет защелки от простых переключателей. Поскольку они не выключаются при удалении поля, они «фиксируют» вывод в текущем состоянии до тех пор, пока не будет применено противоположное поле. Защелки используются для определения вращающихся магнитов для переключения двигателя или измерения скорости.

Линейные устройства имеют аналоговый выход и используются для определения линейного положения в линейных энкодерах, таких как автомобильные датчики положения педали газа. Они имеют логометрическое выходное напряжение, которое при отсутствии поля номинально составляет V _CC /2.При наличии южного полюса выход будет двигаться в направлении V _CC , а при наличии северного полюса выход будет двигаться в направлении GND. Allegro предлагает широкий ассортимент переключателей Холла, защелок и линейных устройств, подходящих для самых разных применений. См. Руководства по выбору продукции Allegro: ИС магнитных датчиков линейного и углового положения, ИС магнитных цифровых датчиков положения, ИС датчиков тока на основе эффекта Холла и ИС магнитных датчиков скорости.

Использование эффекта Холла

Интегральные схемы (IC) Allegro с эффектом Холла

используют эффект Холла, объединяя элемент Холла с другими схемами, такими как операционные усилители и компараторы, для создания магнитно-активируемых переключателей и аналоговых выходных устройств.Простой переключатель Холла, такой как открытое устройство NMOS, показанное на рисунке 2, может использоваться для определения наличия или отсутствия магнита и реагировать с помощью цифрового выхода.

Рисунок 2. Блок-схема простого переключателя на эффекте Холла IC

Интегральные схемы — это электронные структуры с большим количеством элементов схемы с высокой плотностью, рассматриваемые как единое целое. Элементы схемы включают в себя активные компоненты, такие как транзисторы и диоды, а также пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.Эти компоненты соединены между собой металлом, обычно алюминием, и образуют более сложные операционные усилители и компараторы устройства. Переключатель Холла на рисунке 2 используется для простой иллюстрации, но эти компоненты используются во всех устройствах Allegro даже для самых сложных ИС. Элемент Холла на рисунке 2 показан в виде квадратной рамки с буквой «X». Его выходной сигнал усиливается, подается на компаратор, а затем на открытый цифровой выход NMOS. Allegro также производит ИС Холла с двумя элементами Холла для измерения дифференциальных магнитных полей и даже тремя элементами Холла для определения направления движущихся ферромагнитных целей.Какой бы сложной ни была топология сенсора, все компоненты изготавливаются на тонкой подложке из полупроводникового материала и на ней.

Структура ИС Холла

Устройства Allegro изготавливаются на кремниевых подложках путем легирования непосредственно в кремний различными материалами для создания областей носителей n-типа (электроны) или p-типа (электронные дырки). Эти области материала n-типа и p-типа сформированы в геометрические формы, которые составляют активный и пассивный компоненты интегральной схемы, включая элемент Холла, и соединены друг с другом путем нанесения металла на геометрические формы.Таким образом, активный и пассивный компоненты электрически соединены друг с другом. Поскольку требуемые геометрические размеры очень малы, в диапазоне микрон, а иногда и меньше, плотность схемы чрезвычайно высока, что позволяет создавать сложные схемы на очень небольшой площади кремния.

Тот факт, что все активные и пассивные элементы выращены внутри подложки или нанесены на кремний, делает их неотделимыми от кремния и действительно идентифицирует их как монолитные интегральные схемы.На рисунке 3 показано, как элемент Холла интегрирован в Allegro IC. Это просто область легированного кремния, которая создает пластину n-типа, которая будет проводить ток.

Рисунок 3. Поперечное сечение одиночного элемента Холла; эпи-резистор N-типа контактирует в каждом из четырех углов.

Как упоминалось ранее, когда ток протекает от одного угла пластины к противоположному углу, напряжение Холла будет развиваться через два других угла пластины в присутствии перпендикулярного магнитного поля.Напряжение Холла будет равно нулю, когда поле не приложено. Аналогичным образом более сложные геометрические формы образуют активные компоненты, такие как транзисторные структуры NPN или NMOS. На рисунке 4 показаны поперечные сечения как NPN-, так и PMOS-транзисторов.

Рис. 4. Поперечные сечения PMOS (вверху) и BJT-транзистора n NPN (внизу)

Для повышения эффективности производства эти схемы выращиваются в подложке, пока она еще находится в форме большой пластины. Цепи повторяются в виде ряда строк и столбцов, которые можно распилить на отдельные кристаллы или «чипы», как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Кремниевая пластина, пропиленная в кристалле после нанесения схемы IC

Единственное устройство на ИС с датчиком Холла Allegro можно увидеть на рисунке 6. Это простой переключатель с функциональной блок-схемой, показанной на рисунке 2. Все схемы включены в ИС, включая элемент Холла, который можно увидеть. в виде красного квадрата в середине микросхемы, а также схемы усилителя и защитные диоды, а также многочисленные резисторы и конденсаторы, необходимые для реализации функциональности устройства.

Рис. 6. Микросхема Single Hall IC

Упаковка для устройств Холла

После распиливания рядов и столбцов кремниевых пластин на отдельные кристаллы, кристаллы упаковываются для индивидуальной продажи. Готовый корпус, один из многих возможных стилей, показан на рис. 7. Кристалл виден внутри корпуса, установленный на медной матрице. Контакт с медными выводами осуществляется посредством золотой проволоки, соединяющей металлические контактные площадки на поверхности кристалла с электрически изолированными выводами корпуса.Затем упаковку инкапсулируют или формуют поверх пластика, чтобы защитить матрицу от повреждений.

Рис. 7. Типичный полный комплект устройства Холла, показывающий смонтированную матрицу и проводные соединения с выводами.

Корпус на рис. 7 представляет собой простой переключатель, показанный на рис. 2, с VCC, GND и выходными выводами в миниатюрном трехконтактном однорядном корпусе (SIP). Другие пакеты можно увидеть на рисунке 8 и включают в себя масштабируемый пакет микросхемы на уровне пластины (CSP), SOT23W, MLP, 3-контактный UA-корпус SIP и 4-контактный K-корпус SIP.

Рис. 8. Типичные полные комплекты устройств Холла: (A) MLP для поверхностного монтажа и (B) SOT23W, (C) корпус для масштабирования кристалла на уровне пластины (CSP) и монтаж в сквозное отверстие (D) K типа SIP, и (E) UA типа SIP.

AN296065

Датчик Холла

и его роль в контроллере двигателя

Датчик на эффекте Холла — это широко используемый датчик, который обеспечивает обратную связь по положению ротора с контроллером двигателя. Давайте поймем значение этого датчика в системе управления автомобильным двигателем.

A Система управления двигателем BLDC представляет собой сложную схему, в которой несколько компонентов работают в тандеме, чтобы заставить двигатель двигаться желаемым образом. Эффективность, долговечность и производительность — вот атрибуты, которые больше всего волнуют инженеров при проектировании такой системы.

В то время как магниты и катушки заботятся об электрическом аспекте, микроконтроллер действует как мозг, который управляет двигателем. Но даже самый острый мозг нуждается в сенсорной информации.

Два сенсорных входа, которые здесь имеют большое значение: Speed ​​ и Position .Давайте разберемся с ними в контексте коммутации двигателей.

Коммутация — это процесс переключения тока в фазах двигателя для облегчения вращения двигателя.

В щеточных двигателях щетки контактируют с коммутатором и переключают ток для движения двигателей. Двигатели BLDC не имеют щеток; таким образом, они должны приводиться в движение электроникой с помощью системы управления двигателем.

Контроллер двигателя BLDC подает прямоугольные сигналы (напряжение) на магниты ротора и создает магнитное поле, которое приводит в движение двигатель.

Важность скорости и положения ротора при коммутации двигателя:

Коммутация в двигателе BLDC — это 6-этапный процесс . Трехфазный H-мост используется для создания 6 векторов потока , каждый из которых вызывает поворот на 60 градусов (соответствует следующему положению) двигателя, таким образом совершая полный оборот на 360 градусов.

• Чтобы привести двигатель в движение, контроллер двигателя пропускает ток через катушку статора. Это создает магнитное поле, которое, в свою очередь, развивает крутящий момент на роторе (постоянный магнит).В результате ротор начинает двигаться.
• Теперь, если ротор приближается к движущемуся магнитному полю, ротор будет иметь тенденцию останавливаться из-за изменения полярности. В этом случае магнитное поле начнет притягивать ротор и останавливать движение. Чтобы избежать этого, система управления двигателем переключает ток, подаваемый на статор, и создается новое магнитное поле, и ротор продолжает свое движение. Таким образом, процесс коммутации сводится к переключению тока в правом экземпляре .
• Понятие скорости и положения появляется в картине, так как этот «правильный экземпляр» должен быть обнаружен, когда он прибывает.
• Датчик необходим для обратной связи с системой управления двигателем, указывающей, когда ротор достиг желаемого положения. Если коммутация выполняется быстрее или медленнее, чем скорость ротора, магниты не синхронизируются с магнитным полем статора. Это заставляет ротор вибрировать и останавливаться вместо вращения.
• После одной коммутации необходимо определить положение ротора относительно статора, чтобы можно было инициировать следующую коммутацию.Следовательно, определение местоположения также является важным параметром.

В производстве электродвигателей используется множество типов датчиков, таких как энкодеры, переключатели и потенциометры. Однако наиболее широко используемый и применяемый датчик — датчик Холла , , .

В следующих разделах мы подробно поговорим о датчике Холла и его роли в системе управления двигателем.

Что такое датчик эффекта Холла?

Датчик на эффекте Холла — это, по сути, преобразователь, основанный на принципе эффекта Холла.

Эффект получения измеримого напряжения, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, называется эффектом Холла.

Проще говоря, напряжение создается на электрическом проводнике, когда к нему прикладывается магнитное поле в направлении, перпендикулярном потоку тока.

Датчик Холла — это твердотельное устройство, которое применяет этот принцип для определения положения, скорости и различных других атрибутов, необходимых для эффективной работы двигателя BLDC.

Увеличенное изображение датчика Холла

Через полосу Холла постоянно проходит небольшой ток. Как уже упоминалось, переменное поле от этого магнита ротора будет создавать напряжение на полосе Холла. Затем напряжение подается на цифровую схему (показанную на схеме выше), которая, в свою очередь, выдает цифровой сигнал в качестве выхода датчика Холла.

Как работает датчик эффекта Холла в двигателе BLDC

Обычно двигатель BLDC имеет три датчика Холла, установленных на роторе или статоре.Эти датчики Холла расположены на расстоянии 120 градусов друг от друга, что дает угловое положение от 0 до 360 градусов.

Когда эти датчики Холла вступают в контакт с магнитным полем ротора, он генерирует соответствующий цифровой импульс в единицах 1 и 0, как показано на схеме ниже.

За шесть шагов эти датчики Холла могут определять положение двигателя (угол). На диаграмме прямоугольные формы сигналов демонстрируют положительный и отрицательный импульс, генерируемый под соответствующим углом всеми тремя датчиками эффекта Холла — A, B и C.

Соответствующий график также показывает, как одна коммутация завершается за 6 шагов, когда угол достигает 360 градусов.

Следующее объяснение внесет большую ясность.

Когда магнит ротора пересекает один из датчиков, он производит низкий или высокий сигнал в зависимости от того, прошел ли он через северный полюс или южный полюс ротора. Когда ротор пересекает все три датчика, эти датчики переключаются между низким и высоким, таким образом выявляя положение ротора каждые 60 градусов.

На схеме ниже показан типичный контроллер двигателя BLDC. Три линии, идущие от двигателя к контроллеру, отображают сигнал, посылаемый тремя датчиками Холла.

Датчик на эффекте Холла может различать положительный и отрицательный заряд, движущийся в противоположном направлении. Магнитное поле, обнаруженное датчиком на эффекте Холла, преобразуется в подходящий аналоговый или цифровой сигнал, который может быть считан электронной системой, обычно системой управления двигателем.

Ниже представлена ​​таблица истинности, полученная на основе показаний трех датчиков Холла.Как видите, состояние транзистора H-моста зависит от сигнала, обнаруживаемого датчиком. Стрелка вниз показывает движение по часовой стрелке (CW), а стрелка вверх показывает движение против часовой стрелки (CCW).

Теперь, когда у нас есть таблица истинности и график, угол (положение) и скорость ротора можно легко вычислить.

Преимущества использования датчика Холла в контроллере двигателя BLDC

• Датчик Холла — это очень простое устройство, состоящее из магнитов, поэтому оно очень экономично для систем управления двигателями.
• По той же причине эти датчики легко внедрить в передовые системы управления двигателями для электромобилей и других автомобильных решений.
• Большинство двигателей BLDC оснащены этими датчиками.

Датчики на эффекте Холла

• в основном невосприимчивы к таким условиям окружающей среды, как влажность, температура, пыль и вибрация.

Завершение

Многое происходит внутри системы управления двигателем BLDC. Есть алгоритм FOC, схемы H-Bridge, эффективная коммутация и многое другое.Среди множества компонентов внутри системы управления двигателем BLDC очень маленький и скромный датчик — датчик эффекта Холла — дает о себе знать.

Будучи экономичными и простыми в использовании, эти датчики сделали новейшие решения для управления двигателями BLDC более эффективными и удобными в использовании в автомобильной промышленности.

Посмотрите это пространство, чтобы узнать о других таких компонентах, которые играют жизненно важную роль в контроллере двигателя BLDC.

Датчики Холла (магнитные)

,