Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.

Описание и применение

Контроллер, в основе которого лежит действие эффекта Холла, относится к датчикам магнитного типа. Они выдают электрический сигнал в зависимости от изменения магнитного поля вокруг них.

Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов.

Регистр Холла работает следующим образом:

  • вокруг него создается магнитное поле, активирующее контроллер;
  • при внесении в поле какого-либо объекта, оно выходит за первоначальные границы; датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Напряжение называется напряжением Холла.

На основе датчика Холла собирают контроллеры приближения, движения, переключатели и другие полезные в быту и промышленности устройства.

Виды, устройство и принцип действия

Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.

Цифровые

Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

  1. Униполярные.
  2. Биполярные.
  3. Омниполярные.

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Униполярные

Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.

Биполярные

Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.

Омниполярные

Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.

Аналоговые

В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.

Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.

Применение

И аналоговые (линейные), и цифровые контроллеры нашли широкое применение во всех сферах жизни.

Линейные

Из-за большого количества уровней выходного напряжения такие контроллеры часто применяют в измерительной технике.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Датчик тока

Регистр тока на ДХ сделать очень просто. Необходимо установить лишь правильный преобразователь, который из напряжения, создаваемого в результате прохождения тока через проводник, будет получать ток. Ток с напряжением связаны законом Ома.

Тахометр

Тахометр измеряет частоту вращения чего-либо. Например, вала. Сделать такое устройство на ДХ очень просто. Достаточно установить датчик рядом с вращающимся объектом, а на сам объект повесить небольшой магнит.

Как только магнит будет проходить рядом с датчиком, индукция поля будет изменятся, как и величина напряжения на выходе соответственно.

По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.

Датчик вибраций

На основе ДХ можно сконструировать простой регистр вибрации, который будет реагировать на изменение магнитного поля в результате микроперемещений магнита, создающего поле для проводника с током.

Детектор ферромагнетиков

Ферромагнетики – магнитоактивные вещества.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Они искажают магнитное поле планеты. По величине этого искажения можно определить, насколько сильный тот или иной ферромагнетик.

Как измерить это искажение? Это можно сделать с помощью ДХ. Если внести в поле магнита, создающего напряжение в проводнике, магнитный материал (ферромагнетик), то поле изменит индукцию и это повлияет на создаваемую разность потенциалов.

Датчик угла поворота

ДХ способны измерять угол вращения какого-то либо объекта. Например, если на нем установлены магнит и контроллер Холла, то по величине индукции (близости магнита к датчику) можно определить угол вращения.

Потребуется лишь правильно определить зависимость между индукцией и углом. В этом поможет университетский курс физики и механики.

Бесконтактный потенциометр

Напряжение с током связаны по закону Ома через сопротивление. Зная ток через проводник и напряжение, не сложно рассчитать подключенное к проводнику сопротивление. Этот факт позволяет строить на ДХ бесконтактные потенциометры.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока

Подобные контроллеры часто применяются в бесколлекторных двигателях в качестве измерителей угла поворота.

Датчик расхода

Датчик расхода на аналоговом ДХ устроен так, что объем пропущенного через этот датчик вещества пропорционален изменению магнитной индукции поля вокруг него.

Датчик положения

Чтобы собрать датчик положения на ДХ, нужно к отслеживаемой цели подключить магнитную пластину. Когда эта пластина будет менять положение относительно магнита в ДХ, поле будет менять свой состав и по изменению индукции этого поля можно будет определить положение объекта.

Цифровые

Такие контроллеры применяются в электронике и промышленности для управления включением и выключением, например, станков с численным программным управлением, а также для регулирования работы автоматизированных систем.

Датчики

На цифровых ДХ собирают различные контроллеры, способные отслеживать изменение различных величин и реагировать на изменения.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Контроллер частоты вращения

Контроллеры Холла, измеряющие частоту вращения чего-либо, называются энкодерами. Обычно их несколько устанавливается на определенную позицию, через которую проходит несколько магнитов с вращающегося объекта.

Как только магнит пересекает первый датчик, последний выдает на выходе уровень логической единицы. С другими контроллерами аналогично. Момент появления логической единицы на одном из датчиков позволяет оценить частоту вращения объекта.

Контроллер системы зажигания авто

Система зажигания устроена таким образом, что имеет два устойчивых состояния: включено-выключено. Такие же устойчивые логические уровни имеют цифровые ДХ. Соединить эти приборы в одно устройство не составляет труда: к системе зажигания присоединяется магнитная пластина.

Когда система находится в положении «включено», пластина пересекает магнитное поле ДХ и разность потенциалов в проводнике контроллера изменяется. Этим изменением можно управлять различными системами авто.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Контроллер положения клапанов

Если к клапану подсоединить магнитную пластину, а ее расположить рядом с контроллером Холла, то при открытии (или, наоборот, закрытии) клапана индукция поля и, как следствие, напряжение в проводнике изменится, а это изменение переведет контроллер в одно из логических состояний (ноль, единица).

Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.

Контроллер бумаг в принтере

Наличие бумаги в принтере можно фиксировать точно так же, как и положение клапанов. Есть флажок, который устанавливается и пересекает поле постоянного магнита ДХ, если в принтер поступает бумага.

Устройства синхронизации

Датчики синхронизации активно применяются в автомобилестроении, где они регулируют время и объем подачи топлива, углы опережения зажигания и поворота распределительного вала, а также других показателей.

Такие датчики представляют собой намагниченный сердечник с медной обмоткой, на концах которой фиксируют разность потенциалов.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Счетчик импульсов

С помощью эффекта Холла можно считать поступающие в проводник импульсы. Импульс – сигнал высокого уровня. Соответственно, есть сигнал низкого уровня (обычно это 0). Если импульс поступает на проводник, то на его концах создается разность потенциалов под действием магнитного поля. Когда импульс пропадает, разность потенциалов тоже исчезает. По скорости появления-пропадания напряжения в проводнике можно судить о количестве импульсов: зная время и скорость можно определить количество.

Блокировка дверей

Магнит контроллера располагается на двери машины, например, а сам контроллер – на дверной коробке. Как только замок, не снятый с сигнализации, попытается кто-то открыть и потянет на себя ручку двери, подключенная система заблокирует двери и предотвратит доступ в машину. Так и работает блокировка дверей с применением ДХ.

Вместо системы блокировки дверей к датчику можно подключить сирену или другую сигнализацию.

Измеритель расхода

Расходометр на ДХ устроен таким образом, что каждое изменение магнитного потока, фиксируемое контроллером, равняется определенной порции прошедшего вещества (жидкости, например).Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Бесконтактное реле

Бесконтактные реле на ДХ так устроены, что при изменении магнитной индукции поля вокруг проводника на нем меняется напряжение и это изменение разности потенциалов провоцирует переключение реле.

Детектор приближения

Контроллер приближения на цифровом ДХ аналогичен контроллеру на линейном ДХ с той лишь разницей, что цифровой выдает только два уровня сигнала – высокий и низкий – а аналоговый –бесконечное множество, то есть, например, цифровым контроллером можно только включить и выключить свет, а аналоговым включить на определенную величину, сделать свет ярче или тусклее, а потом выключить.

Какие функции выполняет в смартфоне

Когда человек подносит смартфон близко к уху, экран телефона гаснет для предотвращения случайных нажатий. Как это удалось реализовать разработчикам? При помощи цифрового датчика приближения, основанного на эффекте Холла.

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

  1. Ферритовое кольцо.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника
  2. Проводник для тока.
  3. Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
  4. Дифференциальный усилитель.

В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.

Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.

Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

  1. Многофункциональность. Контроллеры Холла, как описано выше, могут играть роль десятков видов датчиков.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника
  2. Надежность. Не подвержены износу т.к. не имеют движущихся частей. На их работе не влияет ни влага, ни пыль (вибрация в меньшей степени).
  3. Простота. Практически не требует обслуживания.

Среди недостатков ДХ выделяют:

  1. Низкий радиус действия. Обычно ДХ не работает на расстоянии больше 10 см. В противном случае придется использовать очень сильный магнит.
  2. Сложно обеспечить стабильность измерений. Из-за постоянно меняющегося магнитного поля точность измерений ДХ всегда будет немного колебаться.

Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.

Чем выше температура, тем быстрее движутся заряды в проводнике, тем чувствительнее датчик ко всем колебаниям магнитного поля.

Датчик холла назначение и принцип работы

В статье узнаете, что такое датчик Холла, принцип работы, его типы, применение в промышленности, преимущества и недостатки.

Датчики Холла широко используются в различных областях.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника В этом посте мы расскажем о том, как они работают, их типах, приложениях, преимуществах и недостатках.

Блок: 1/10 | Кол-во символов: 281
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Что такое датчик Холла

Магнитные датчики — это твердотельные устройства, которые генерируют электрические сигналы, пропорциональные приложенному к нему магнитному полю. Эти электрические сигналы затем дополнительно обрабатываются специальной электронной схемой пользователя для получения желаемого выхода.

В наши дни эти магнитные датчики способны реагировать на широкий спектр магнитных полей. Одним из таких устройств является датчик Холла, выход которого (напряжение) зависит от плотности магнитного поля.

Внешнее магнитное поле используется для активации этих датчиков эффекта Холла. Отслеживаемый магнитный поток фиксируется датчиком, когда его плотность за пределы определенного порога. При обнаружении датчик генерирует выходное напряжение, которое также известно как напряжение Холла.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Эти измерительные элементы пользуются большим спросом и имеют очень широкое применение, например датчики приближения, переключатели, датчики скорости вращения колес, датчики положения и т. д.

Купить датчик вы можете в популярном китайском интернет магазине «АлиЭкспресс». Брали оттуда, все рабочие, советуем.

Блок: 2/10 | Кол-во символов: 1096
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

С чего все начиналось

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

Так вот, когда он пропускал постоянный ток через грани D и B, поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и знаете что обнаружил?  Разность потенциалов на гранях А и C!  Или проще сказать, напряжение. Этот эффект и назвали в честь этого ученого.

Как только он сделали это открытие, вскоре стали делать радиоэлементы на этом эффекте.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Чтобы не заморачиваться с названием, назвали в честь того, кто открыл этот эффект  –  в честь Холла. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, называют датчиками Холла.

Блок: 2/7 | Кол-во символов: 753
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Датчик Холла – принцип работы и назначение

В современных условиях происходит постоянное технологическое развитие датчиков Холла. Они отличаются надежностью, точностью и постоянством данных. Широкое распространение эти приборы получили в автомобилях и других транспортных средствах. Они обладают повышенной устойчивостью к агрессивным внешним воздействиям. Датчики Холла являются составной частью многих устройств, с помощью которых контролируется определенное состояние техники.

Во многих случаях этот прибор размещается в трамблере и отвечает за образование искры, то есть он используется вместо контактов. Нередко данный прибор применяется для слежения за током нагрузки. С его помощью производится отключение при возникновении токовых перегрузок.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника В случае перегревания датчика происходит срабатывание температурной защиты. Резкое изменение напряжения может иметь для устройства тяжелые последствия. Поэтому в последних моделях устанавливается внутренний диод, препятствующий обратному включению напряжения.

Датчик Холла до настоящего времени не смог заменить обычные механические переключатели. Однако в любом случае он имеет ряд значительных преимуществ. Основными из них являются отсутствие контактов, загрязнений, а также механических нагрузок. Поэтому часто можно встретить датчик Холла на скутере, применяемый в качестве составной части датчика зажигания.

Блок: 6/8 | Кол-во символов: 1367
Источник: http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/

Линейные датчики Холла

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.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого проводоа, например, токовые клещи

а 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 измеряемым параметрам магнитного поля.

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.

Блок: 3/7 | Кол-во символов: 1136
Источник: https://www.RusElectronic.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника com/datchik-kholla/

Как работает датчик Холла

Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.

Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.

Простейший датчик состоит из:

  • постоянного магнита;
  • лопасти ротора;
  • магнитопроводов;
  • пластикового корпуса;
  • электронной микросхемы;
  • контактов;

Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 1931
Источник: http://KrutiMotor.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника ru/ustrojstvo-datchika-xolla/

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

  • А – проводник.
  • В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
  • С – аналоговый датчик Холла.
  • D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 573
Источник: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html

Цифровые датчики Холла

Разработчики на этом не остановились. Как только наступила  эра цифровой электроники в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Выглядит все это примерно вот так:

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. То есть подносим например южный полюс магнита, датчик сработал. На северный магнитный полюс ему наплевать.

Биполярные. Здесь уже интереснее. Подносим магнит одним полюсом – датчик сработал и продолжает работать даже тогда, когда мы убираем магнит от датчика.  Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Омниполярные. Этим датчикам по барабану на какой полюс включаться и выключаться. Пусть будет хоть южный или северный.

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 945
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

  • А – датчик.
  • B – магнит.
  • С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

  • При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
  • В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
  • В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Блок: 4/8 | Кол-во символов: 2929
Источник: http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/

Типы датчиков Холла

Датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • на основании вывода;
  • на основании операции.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

На основе результатов

На основе выходных данных датчики Холла можно разделить по типу выхода:

  • аналоговый;
  • цифровой.
Датчики Холла с аналоговым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выход такого типа датчика является аналоговым по своей природе и пропорционален напряженности магнитного поля и выходу элемента Холла.

Эти измерительные элементы имеют непрерывный линейный выход. Благодаря такому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики эффекта Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «вкл.» и «выкл.». Эти датчики имеют дополнительный элемент — «триггер Шмитта», отличаясь этим от датчиков Холла с аналоговым выходом.

Именно триггер Шмитта вызывает эффект гистерезиса, и поэтому достигаются два различных пороговых уровня. Соответственно, выход всей цепи будет либо низким, либо высоким.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Переключатель эффекта Холла — один из таких датчиков. Эти датчики цифрового вывода широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах.

На основе операции

На основе операции датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • биполярный;
  • униполярный.
Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для своей работы. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса — для его отключения.

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют только положительного магнитного поля южного полюса магнита, чтобы быть активированными. Эта же полярность задействуется для выключения датчика.

Блок: 5/10 | Кол-во символов: 1914
Источник: https://meanders.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как проверить датчик Холла

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

А вот здесь можно скачать даташит на этот датчик: (нажмите сюда). Итак, на первую ножку подаем плюс, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого давайте соберем простейшую схемку: простой светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и, конечно же, сам датчик Холла.

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

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

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

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

Переворачиваю магнит другим полюсом и вуаля!

Если магнитик не переворачивать, то есть не менять полюса, то у нас светодиод также останется потухшим, потому как датчик у нас биполярный.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

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. Поэтому датчики Холла с логическими элементами в одном корпусе очень полюбила цифровая электроника. Их можно подцепить к микроконтроллерам и другим логическим элементам.

Блок: 5/7 | Кол-во символов: 1547
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 1861
Источник: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html

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 Холла
  • датчики тока
  • тахометры
  • датчики вибрации
  • детекторы ферромагнетиков
  • датчики угла поворота
  • бесконтактные потенциометры
  • бесколлекторные двигатели постоянного тока
  • датчики расхода
  • датчики положения
Применение цифровых датчиков Холла
  • 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)

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 683
Источник: https://www.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника RusElectronic.com/datchik-kholla/

Преимущества датчиков Холла

Датчики эффекта Холла имеют следующие преимущества:

  • выполняют несколько функций, таких как определение положения, скорости, а также направления движения;
  • поскольку являются твердотельными устройствами, то абсолютно не подвержены износу из-за отсутствия движущихся частей;
  • почти не требуют обслуживания;
  • прочные;
  • невосприимчивы к вибрации, пыли и воде.

Блок: 7/10 | Кол-во символов: 373
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически  датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Там нет электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона  и электромагнитного реле. Используйте на здоровье датчики Холла в своих электронных устройствах.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника

Блок: 7/7 | Кол-во символов: 364
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Недостатки датчиков Холла

Датчики эффекта Холла имеют следующие недостатки:

  • Не способны измерять ток на расстоянии более 10 см. Единственное решение для преодоления этой проблемы заключается в использовании очень сильного магнита, который может генерировать широкое магнитное поле.
  • Точность измеренного значения всегда является проблемой, поскольку внешние магнитные поля могут влиять на значения.
  • Высокая температура оказывает влияние на сопротивление проводника. Это в свою очередь скажется на подвижности носителя заряда и чувствительности датчиков Холла.

Блок: 8/10 | Кол-во символов: 554
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА).Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Тем не менее мы можем контролировать большие электрические нагрузки с помощью датчиков Холла, добавив NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока) к выходу.

Транзистор NPN (приемник тока) функционирует в насыщенном состоянии в качестве переключателя приемника. Он замыкает выходной контакт заземлением, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «вкл.».

Выходной переключающий транзистор может быть в разных конфигурациях, таких как транзистор с открытым эмиттером, открытым коллектором или оба типа. Вот так он обеспечивает двухтактный выход, который позволяет ему потреблять достаточный ток для непосредственного управления большими нагрузками.

Блок: 9/10 | Кол-во символов: 912
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как работает датчик Холла Видео

Блок: 10/10 | Кол-во символов: 31
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Кол-во блоков: 27 | Общее кол-во символов: 30483
Количество использованных доноров: 8
Информация по каждому донору:

  1. http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/: использовано 2 блоков из 8, кол-во символов 4296 (14%)
  2. https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml: использовано 7 блоков из 10, кол-во символов 5161 (17%)
  3. https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html: использовано 2 блоков из 7, кол-во символов 2434 (8%)
  4. https://autolirika.ru/interesnoe/datchik-holla.html: использовано 3 блоков из 5, кол-во символов 6612 (22%)
  5. http://KrutiMotor.ru/ustrojstvo-datchika-xolla/: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 1931 (6%)
  6. https://220v.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника guru/elementy-elektriki/datchiki/princip-raboty-i-primenenie-datchika-holla.html: использовано 2 блоков из 7, кол-во символов 2199 (7%)
  7. https://carnovato.ru/princip-raboty-shema-datchika-holla-skutere/: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 2422 (8%)
  8. https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/: использовано 6 блоков из 7, кол-во символов 5428 (18%)

устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

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

История создания прибора

В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток.Датчик холла устройство: Страница не найдена | Практическая электроника Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.

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

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

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

Конструктивные особенности

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

Виды устройств

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

  • цифровые;
  • аналоговые.

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

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

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

Применение датчика

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

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

Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.

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

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

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

Использование сенсоров в смартфонах

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

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

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

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

Схема датчика холла и принцип работы

Физик Холл открыл принцип, который впоследствии позволил создать датчик его имени. Этот прибор относится к категории магнитоэлектрических устройств и, фактически, является датчиком магнитного поля. Устройство датчика Холла имеет два основных конструктивных варианта. По принципу действия, эти приборы могут быть цифровыми и аналоговыми.

С помощью цифровых датчиков производится определение поля, то есть, его наличие или отсутствие. При достижении индукцией определенного значения, датчик выдает результат. Однако, слабая индукция не позволяет зафиксировать наличие поля, что является минусом этого прибора.

Конструкции аналоговых датчиков Холла позволяют преобразовывать индукцию в напряжение. Полученная величина будет зависеть от силы поля и его полярности.

Принцип работы датчика Холла

Датчики Холла являются составной частью различных приборов. В большинстве случаев, они используются для измерения напряженности магнитного поля. Широкое применение эти устройства нашли в системах зажигания автомобилей, благодаря возможностям бесконтактного действия.

Бесконтактное воздействие объясняется следующими факторами. Было замечено, что при помещении пластины, находящейся под напряжением, в магнитное поле, электроны, находящиеся в этой пластине будут отклоняться в перпендикулярном направлении с магнитным потоком. В данном случае, полярность магнитного поля оказывает непосредственное влияние на направление этого отклонения. Таким образом, будет наблюдаться разница плотности электронов на противоположных концах пластины. Это приводит к созданию разности потенциалов, улавливаемой датчиками Холла.

Проверка работоспособности датчика Холла

Чаще всего, с проблемой работоспособности датчика сталкиваются автомобилисты. Наиболее легким способом считается замена прибора на исправный. Во многих случаях, это помогает полностью решить проблему.

Если же невозможно установить исправный датчик, можно воспользоваться несложным устройством, которое будет дублировать его работу. Для изготовления этого устройства, необходимо взять колодку распределителя зажигания с тремя штекерами и небольшой кусок провода.

Чтобы произвести диагностику, можно использовать обычный тестер. При неисправности датчика, тестер будет показывать менее 0,4 вольта. Проверка наличия искры осуществляется при включенном зажигании. В этом случае, концы провода соединяются с определенными выходами в коммутаторе. Однако, как уже говорилось, наиболее оптимальным вариантом является замена неисправного прибора.

Широкое применение датчик Холла имеет в транспортных системах. Также Датчик Холла применяется для контроля положения узлов различных механизмов: перемещение деталей механизмов до концевых положений, построение энкодеров. Используется для измерения больших токов. Проводятся эксперименты по использованию датчика Холла в качестве чувствительного элемента магнитного компаса. Основу датчика составляет элемент Холла, соединенный с электрической схемой. Современный датчик Холла представляет собой микросхему, к которой подводится питание, а на выходе микросхемы формируется информационный сигнал. Принцип работы датчика Холла состоит в фиксировании магнитного поля. Для измерения скорости перемещения датчика Холла закрепляется на неподвижном элементе конструкции, а в движущейся части устанавливаются магниты. Применяют и более простое решение, намагничивают подвижные элементы не внося изменений в конструкцию механизма. Для измерения скорости вращения применяется пара постоянный магнит и датчик Холла. Между ними свободно перемещается пластина, экранирующая магнитное поле. При каждом обороте с выхода датчика Холла поступает электрический импульс в схему электронного тахометра. Для увеличения точности измерения устанавливают две и более пар магнит + датчик Холла.

Принцип работы датчика Холла позволяет создать регистрирующее устройство не имеющее механического контакта с подвижной частью контролируемого механизма, что позволяет многократно увеличить ресурс работы по сравнению с герконами или механическими переключателями, кнопками. На рисунке показан узел из бесконтактной системы зажигания автомобильной схемы, с использование датчика Холла.

1 – аккумулятор;
2 – замок зажигания;
3 – свечи зажигания;
4 – двухвыводная катушка зажигания;
5 – вольтметр;
6 – коммутатор;
7 – датчик Холла.

Проверить датчик Холла можно по такой технологии. С выхода датчика снимается напряжение, если в его зазоре находится стальной экран. Если экрана в зазоре нет, то напряжение на выходе датчика близко к нулю. На снятом с двигателя датчике-распределителе зажигания датчик можно проверить по схеме, приведенной на рисунке ниже, при напряжении питания 8-14 В. Медленно вращая валик датчика-распределителя зажигания, измерьте вольтметром напряжение на выходе датчика. Оно должно резко меняться от минимального (не более 0,4 В) до максимального (не более, чем на 3 В меньше напряжения питания).

Использование совместно с датчиком Холла постоянного магнита повышает надежность по сравнению с оптопарами, требующими источника света. Постоянный магнит «не погаснет”, а источник света требует подключения к питанию, постоянно потребляет ток. Обрыв питания источника света приведет к ложному сигналу с выхода оптопары, что не может произойти с датчиком Холла. Автор статьи – Сергей Куприянов.

Датчики, иное название сенсоры, служат для регистрирования изменения различных физических величин и передачи полученной информации обрабатывающим устройствам. Если к проводнику подвести постоянный заряд и поместить его в магнитное поле, то возникнет разность потенциалов. Этот эффект был обнаружен в 1897 году учёным Эдвином Холлом. Основываясь, на этом эффекте был создан датчик, названный в честь изобретателя датчиком Холла.

Принцип работы прибора

Это устройство, регистрирующее напряжённость магнитного потока. Фактически это сенсор наличия магнитного поля. Датчики выпускаются как цифрового, так и аналогового типа. Первый тип основан на измерении индукции поля и формирования соответствующего напряжения, а второй тип реагирует на изменение полярности магнитного потока.

Принцип действия датчика Холла построен на гальваномагнитном явлении. Это явление представляет собой результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником, который подключён к электрической энергии, и при этом изменяются его электрические свойства. Эффект Холла проявляется, если в полупроводнике, расположенном в магнитном потоке, при протекании по нему тока образуется поперечное напряжение. При этом направление заряда перпендикулярно вектору направления поля. Возникающее явление объясняется тем, что на подвижные электроны или дырки в магнитном потоке воздействует сила Лоренца, приводящая к их отклонению.

В простом примере эффект Холла представляется в следующем виде. В полупроводнике под влиянием силы Лоренца носители заряда перемещаются в разные стороны, соответствующие своему знаку. На одной стороне полупроводника скапливаются электроны, отрицательный заряд, а на другой откуда переместились электроны — положительный заряд. Между этими сторонами из-за разности зарядов образуется электрический поток, который препятствует перемещению зарядов под влиянием силы Лоренца. Когда наступает момент равенства сил Лоренца и магнитного поля, полупроводник переходит в состояние равновесия.

По своему виду датчики могут выпускаться с разным числом контактных выводов и бывают:

Так как уровень сигнала на выходах сенсора низкий, к его выходам подключается операционный усилитель. При добавлении триггера получается простое устройство, срабатывающее при определённом значении магнитного поля и вида проводимости. В цифровой электронике датчики, дополняющиеся логическими элементами, разделяются на три группы:

  1. Униполярные. Прибор регистрирует только изменение одной величины носителей заряда, дырочной или электронной проводимости.
  2. Биполярные. Сенсор реагирует на оба вида носителей заряда, но выполняет по отношению к ним противоположные действия. Например, при регистрации электронной проводимости подключённый к нему прибор начинает работать, а при регистрации дырочной проводимости отключается.
  3. Однополярные. Регистрируют просто появление проводимости и не зависят от её типа.

Датчик, использующий три вывода, в своём корпусе содержит транзистор с открытым коллектором, так как ток прибора малый с ним применяется в паре усилитель сигнала.

Применение эффекта Холла

Существует линейная зависимость между возникающей разностью потенциалов и магнитной индукцией, приводящей к её появлению. На этом и построены устройства с датчиком Холла, измеряющие магнитную индукцию.

Приборы, использующие в работе преобразователи Холла, применяются для проведения всевозможных измерений. Используя явление, при котором магнитное поле появляется под воздействием электрического тока, индукция магнитной силы соотносится с ним, и создаются бесконтактные измерители силы тока. Такой прибор выгоден при вычислении величин больших постоянных токов в проводах, которые при измерении обычным амперметром пришлось бы разрывать. Кроме этого, широкое применение получили приборы с сенсорами Холла для измерения электрической мощности, фиксирования линейных и угловых перемещений, плотности носителей заряда в полупроводнике.

Главным параметром прибора, построенным на эффекте Холла, является магнитная чувствительность. Она характеризуется соотношением появляющегося напряжения к значению магнитной индукции, то есть напряжением, при индукции равным единице.

Особое применение сенсоры получили в электродвигателях. В них датчики располагают таким образом, что устанавливаясь на статоре, отслеживают положение ротора. Установив магнит постоянного поля, получается счётчик оборотов. Величина магнитного поля, обеспечивающая срабатывание датчика, находится в пределах 150 Гауссов.

Использование в автомобилях

В машине датчик применяется в системе зажигания. Без его участия правильная работа мотора в автомобиле невозможна. Располагается он на трамблере и определяет момент появления искры, заменяя собой контактор. Здесь может использоваться как биполярный, так и униполярный вид сенсора.

Проводя измерения количества возникающих импульсов, сенсор сообщает блоку электроники информацию о необходимости создания искры. В состав прибора входят: постоянный магнит, металлический экран с отверстиями, полупроводниковая пластина. Схема работы основывается на том, что через устроенные отверстия в полупроводник проникает магнитный поток, в результате чего появляется разность потенциалов. Когда прорези закрыты экраном, поток не проходит, и напряжение не возникает. Таки образом, открывая и закрывая прорези экраном, создаётся импульсный сигнал на выходе устройства.

Датчик содержит три вывода, согласно его распиновке слева направо:

  • первый подключается к корпусу автомобиля;
  • на второй подводится напряжение равное шести вольтам;
  • третий используется как информационный.

Кроме этого, датчик используется для контроля токовой перегрузки. При появлении перегрузки происходит нагрев сенсора и срабатывание температурной защиты.

Из-за нарушений, возникающих в работе сенсора, возникают различные неисправности, что сказывается на запуске двигателя, появления рывков при работе, или просто его остановки. Проверить работоспособность датчика в автомобиле проще всего вращением коленчатого и распределительного вала. При нормальной работе светодиод, расположенный на контрольной панели, должен мигать.

При отсутствии бортового светодиода возможно выполнить приспособление самостоятельно. Для этого понадобится резистор на один килоом, светодиод и провода. Резистор последовательно соединяется со светодиодом, и от конструкции делаются отводы на проводах. Трамблер отключается и проводится подключение проводов от светодиода и резистора, после чего проворачивается распределительный вал. В результате светодиод должен мигнуть.

Для получения точных результатов лучше провести проверку датчика холла мультиметром. Потребуется любой тестер с возможностью измерения напряжения. При рабочем датчике напряжение на его выводах составит до 11 вольт. Сначала измеряется присутствие необходимых напряжений на контактной колодке трамблера. Обычно присутствуют три напряжения, равные 12 вольтам, и на одном контакте напряжение должно отсутствовать.

Включается зажигание. Положительный щуп устанавливается на выход клеммы датчика, а минусовой на провод с нулевым значением напряжения. Величина напряжения составляет около 11 вольт. При провороте коленвала напряжение должно изменяться, при этом наибольшее значение не должно опускаться ниже девяти вольт, а наименьшее быть не более 0,5 В.

Преобразователь Холла в смартфоне

Имея небольшие размеры, сенсоры Холла нашли своё применение и в электронных гаджетах. Используя его свойства в смартфонах, улучшается позиционирование, быстрее происходит запуск GPS поиска, увеличивается срок службы в автономном режиме. Применяя способность сенсора реагировать на магнитное поле, преобразователь используется также в телефонах вида «раскладушка» и ноутбуках. Месторасположение датчик занимает на лицевой стороне устройства, что увеличивает его реакцию на изменение магнитного поля.

Из-за присутствия датчика происходит автоматическое включение экрана ноутбука при его открытии или выключение при закрытии. Также и с телефоном — «раскладушкой». В смартфонах такая функция реализуется с применением чехла книжки. Датчик регистрирует величину магнитного поля, исходящего от миниатюрного магнита, вмонтированного в середину чехла. При открытии чехла, сила действия магнитного потока ослабевает, и устройство включает подсветку экрана.

Важно отметить, что использование магнита не оказывает никакого негативного влияния на гаджет, а сам датчик Холла в принципе работы применяет регистрацию магнитного потока. Он регистрирует силу магнитного поля, а не сравнивает его напряжённость. Преобразователь Холла в мобильных устройствах также имеет следующий функции:

  • помогает в ориентирование по горизонту земли;
  • обеспечивает работу компаса устройства;
  • включает и отключает экран при совместном использовании с магнитом.

Ориентирование экрана — это функция, используемая в любом современном телефоне. При разном положении гаджета в пространстве изображение на экране всегда будет правильным, а не перевёрнутым. Такую функцию можно и отключить, для этого в настройках смартфона выбирается последовательно: настройки, экран блокировки, расширенные возможности, режим смарта. Если в настройках пункта нет, придётся выпаять преобразователь из схемы.

Кроме этого, специальная микросхема, получая сигнал от преобразователя Холла, приводит к коррекции изображения. Это проявляется при фотографировании или при смене времени суток. Участвуя в работе GPS навигации, устройство помогает увеличить точность позиционирования.

Чтобы знать, как проверить датчик Холла в телефоне, особых умений не понадобится. Для этого нужно поднести любой магнит к корпусу или экрану устройства. При его работоспособности экран погаснет, если магнит убрать — загорится.

Устройство в бытовой технике

Очень часто в бытовой технике, использующей мотор (например, стиральная машинка) для подсчёта количества оборотов стоит сенсор Холла. Он имеет вид кольца с двумя проводами и крепится к ротору электродвигателя. Его работа устроена следующим образом: за счёт вращения вала на сенсор поступает напряжение, сила которого зависит от скорости вращения ротора. Чем обороты больше, тем больше и разность потенциалов. Электронный узел анализирует величину напряжения и выставляет требуемую скорость вращения.

Чтобы проверить преобразователь, потребуется взять мультиметр и прозвонить сопротивление сенсора. Нормальная величина рабочего прибора составляет около 60 Ом. Если мультиметра нет, можно взять простой вольтметр и измерить напряжение на том месте, где подключается сам датчик.

Схема для практического повторения

Несложная схема с применением датчика Холла, применяемая для регистрации открытия двери, не представляет сложности для самостоятельной сборки. Достоинство использования сенсора в том, что его работе не требуется механический контакт, как, например, геркону. Датчик размещается на дверной коробке, а магнит на двери. В основе схемы используется датчик MH 183 и микросхема CD 4093. За питание отвечает источник напряжения на девять вольт.

При воздействии магнитного потока транзисторный ключ находится в активном состоянии. Сигнал с сенсора поступает на вход микросхемы и запрещает работу её генератора. Светодиод LED1 горит. Если дверь открывается, магнитная сила, воздействующая на датчик, ослабевает или пропадает, а в микросхеме запускается генератор и светодиод гаснет. Резистор R1 предназначен для защиты преобразователя Холла от обратного пробоя напряжения. Датчик Холла нашел свое применение во многих областях и является незаменимым помощником для человека в быту. Именно благодаря ему существуют так называемые «умные» устройства.

Устройство, принцип работы датчика Холла, его применение в автомобиле

Сегодня роль электроники в автомобилестроении трудно переоценить. Автоматика оперативно контролирует и управляет всеми агрегатами современного автомобиля, обеспечивая их максимальную эффективность при высокой надёжности.

Но это возможно только при наличии достаточного количества датчиков, сообщающих электронному блоку управления множество различных параметров для выработки управляющих сигналов.

Одно из таких устройств в современном двигателе – датчик Холла. Принцип его функционирования основан на эффекте отклонения электронов в проводнике под воздействием силы Лоренса, возникающей при взаимодействии магнитного поля с движущимися заряженными частицами.

Если через две стороны плоского прямоугольного проводника помещённого плоскостью перпендикулярно силовым магнитным линиям пропускать электрический ток, то в результате их взаимодействия с электронами на двух других сторонах прямоугольника появляется электрический потенциал.

Причём сторона, куда отклоняются электроны, зависит от направления силовых магнитных линий. В результате этого эффекта создаётся плюсовой и минусовой полюс выходного потенциала.

Величина его небольшая – до 100 милливольт, и зависит от силы протекающего тока и напряжённости поля. Но этого вполне достаточно для того, чтоб электронная схема смогла его зарегистрировать.

Добавление к чувствительному элементу полупроводниковой схемы позволило создать компактный прибор, свободный от недостатков контактного прерывателя, создающего так называемый «дребезг» во время замыкания или размыкания. Благодаря сравнительно низкой цене при небольших размерах датчики Холла применяются весьма широко.

Например, для бесконтактного измерения тока, индикации или измерения уровня магнитного поля, а также в ноутбуках либо телефонах-раскладушках для отключения питания при закрывании крышки.

В автомобилестроении датчики Холла используются преимущественно для определения положения коленчатого вала, при котором следует подавать высоковольтный импульс создающий разряд на свече зажигания.

РАЗНОВИДНОСТИ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

По типу исполнения датчики бывают:

  • аналоговыми;
  • дискретными.

Первый тип просто генерирует двухполярный потенциал, пропорциональный напряженности и направлению магнитного поля, либо однополярный, показывая лишь его абсолютное значение. Подобные аналоговые приборы используют как измерительные.

Дискретные (цифровые) датчики разделяются на однополярные, включающиеся или выключающиеся при наличии либо отсутствии магнитного поля, и биполярные, реагирующие включением на один полюс, и выключением на другой полюс магнита.

Как правило, автомобильный датчик Холла состоит из постоянного магнита, находящегося на определённом расстоянии от чувствительного элемента, и микросхемы, усиливающей сигнал с него. Ротор из ферромагнетика (сталь, железо), своими лопастями периодически перекрывают магнитное поле между магнитом и чувствительным элементом.

Если поле не перекрыто ротором, микросхема генерирует сигнал единицы, близкий по напряжению к питающему уровню бортовой сети. Когда лопасть ротора перекрывает магнитное поле, сигнал на выходе микросхемы близок к нулю.

В системах зажигания, используются цифровые датчики с высокой стабильностью включения, непосредственно коммутирующие напряжение питания. По сравнению с обыкновенными контактными прерывателями датчики Холла характеризуются повышенной чувствительностью к электромагнитным помехам, что устраняется помещением их в магнитный экран из магнитомягкого материала (пермаллоя).

Электронная схема также несколько снижает его надёжность. Но всё это окупается высочайшей стабильностью срабатывания, а значит момента зажигания и возможностью качественной его регулировки.

КАК БЫСТРО ПРОВЕРИТЬ ДАТЧИК ХОЛЛА

Иногда в процессе эксплуатации возникают неисправности, требующие проверки работоспособности датчика Холла. Вот типовые признаки подобных дефектов:

  • мотор плохо запускается, вообще не заводится или самопроизвольно глохнет;
  • обороты коленчатого вала нестабильны, заметны рывки при работе.

Способов проверки существует несколько:

1. Простейший – заменить на заведомо исправный прибор. Не слишком эон дорог, чтобы было накладно всегда при себе иметь запасной.

2. Мультиметром в режиме вольтметра. Датчик при этом должен быть стандартно подключен к массе (клемма «-» аккумулятора) и клемме «+» аккумулятора. Для проверки подключают щупы вольтметра к общему проводу и сигнальному контакту датчика.

Перекрывая зазор датчика куском железной или стальной пластины, например, лезвием ножа наблюдаем за показаниями вольтметра. При отсутствии пластины напряжение должно быть равно примерно 0,4 В, при наличии – 11 В.

Более сложные способы проверки для любителей не подходят , посему они здесь не приводятся, а для специалистов подобные описания излишни.

  *  *  *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Датчик Холла | Электротехническая Компания Меандр

СНЯТО С ПРОИЗВОДСТВА АНАЛОГОВ НЕТ

ВИКО-Х-102-М8

  • Диаметр корпуса 8мм

  • Диапазон питающего напряжения DC5…24В

  • Рабочая зона  0…10мм

  • Высокая частота переключения 320кГц

  • Выход NPN транзистор с открытым коллектором, нормально открыт

  • Защита от переполюсовки питающего напряжения

  • Большой ресурс срабатываний

  • МАГНИТ В КОМПЛЕКТЕ 10Х4 мм

НАЗНАЧЕНИЕ ДАТЧИКА ХОЛЛА

Бесконтактный датчик ВИКО-Х-102-М8 (далее датчик) предназначен для работы в составе устройств индикации оборотов валов с высокой скоростью вращения, объектов сложной формы из ферромагнитных материалов (зубчатых колёс), в качестве датчика скорости для двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. Датчик может использоваться в качестве конечного выключателя в системах автоматических приводов.

РАБОТА ДАТЧИКА

Принцип работы датчика основан на эффекте Холла — изменение характеристик чувствительного элемента при воздействии внешнего магнитного поля.
 При увеличении внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния выключателя. Дальнейшее увеличение магнитного поля не влияет на состояние выключателя. При уменьшении напряжённости магнитного поля происходит обратный процесс и выключатель возвращается в исходное состояние.
 При входе в чувствительную зону объекта из ферромагнитного материала, уменьшается напряжённость внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика. Дальнейшее уменьшение  напряжённости магнитного поля не влияет на состояние выхода. При удалении объекта из чувствительной зоны, напряжённость магнитного поля возрастает и происходит обратный процесс – выключатель возвращается в исходное состояние.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА ХОЛЛА

Параметр

Ед.изм.

Значение

Тип исполнения по принципу действия

Эффект Холла

Напряжение питания

В

DC5…24

Напряженность магнитного поля

мТ

22

Номинальный ток нагрузки

мА

200

Падение напряжения на выходе (в открытом состоянии), не более

В

1,5

Ток потребления, не более

мА

8

Расстояние воздействия, Sn

мм

0…10

Максимальная частота переключения

кГц

320

Регулировка чувствительности

нет

Степень защиты датчика

IP67

Схема подключения

трёхпроводная

Способ подключения

кабель 3×0,2 мм2  — 2м

Температура окружающей среды

0C

-25…+70

Материал корпуса

Латунь (ХРОМ)

Масса, не более

кг

0,1

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКА

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ДАТЧИКА

Серия ВИКО-Х

М

А

Б

В

Г

Д

Е

ВИКО-Х-102-М8

8х1

35

28

2,5

7

12

ТУ 4218-004-31928807-2014

Форум и обсуждения  —  здесь

Наименование

Заказной код

(артикул)

Файл для скачивания

(паспорт)

Дата файла

ВИКО-Х-102-М8

4640016932979

13.04.2015

Датчик холла как устроен

принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.

Описание и применение

Контроллер, в основе которого лежит действие эффекта Холла, относится к датчикам магнитного типа. Они выдают электрический сигнал в зависимости от изменения магнитного поля вокруг них.

Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов.

Регистр Холла работает следующим образом:

  • вокруг него создается магнитное поле, активирующее контроллер;
  • при внесении в поле какого-либо объекта, оно выходит за первоначальные границы; датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.

Напряжение называется напряжением Холла.

На основе датчика Холла собирают контроллеры приближения, движения, переключатели и другие полезные в быту и промышленности устройства.

Виды, устройство и принцип действия

Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.

Цифровые

Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

  1. Униполярные.
  2. Биполярные.
  3. Омниполярные.

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Униполярные

Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса. Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.

Биполярные

Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.

Омниполярные

Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.

Аналоговые

В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.

Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.

Применение

И аналоговые (линейные), и цифровые контроллеры нашли широкое применение во всех сферах жизни.

Линейные

Из-за большого количества уровней выходного напряжения такие контроллеры часто применяют в измерительной технике.

Датчик тока

Регистр тока на ДХ сделать очень просто. Необходимо установить лишь правильный преобразователь, который из напряжения, создаваемого в результате прохождения тока через проводник, будет получать ток. Ток с напряжением связаны законом Ома.

Тахометр

Тахометр измеряет частоту вращения чего-либо. Например, вала. Сделать такое устройство на ДХ очень просто. Достаточно установить датчик рядом с вращающимся объектом, а на сам объект повесить небольшой магнит.

Как только магнит будет проходить рядом с датчиком, индукция поля будет изменятся, как и величина напряжения на выходе соответственно.

По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.

Датчик вибраций

На основе ДХ можно сконструировать простой регистр вибрации, который будет реагировать на изменение магнитного поля в результате микроперемещений магнита, создающего поле для проводника с током.

Детектор ферромагнетиков

Ферромагнетики – магнитоактивные вещества. Они искажают магнитное поле планеты. По величине этого искажения можно определить, насколько сильный тот или иной ферромагнетик.

Как измерить это искажение? Это можно сделать с помощью ДХ. Если внести в поле магнита, создающего напряжение в проводнике, магнитный материал (ферромагнетик), то поле изменит индукцию и это повлияет на создаваемую разность потенциалов.

Датчик угла поворота

ДХ способны измерять угол вращения какого-то либо объекта. Например, если на нем установлены магнит и контроллер Холла, то по величине индукции (близости магнита к датчику) можно определить угол вращения.

Потребуется лишь правильно определить зависимость между индукцией и углом. В этом поможет университетский курс физики и механики.

Бесконтактный потенциометр

Напряжение с током связаны по закону Ома через сопротивление. Зная ток через проводник и напряжение, не сложно рассчитать подключенное к проводнику сопротивление. Этот факт позволяет строить на ДХ бесконтактные потенциометры.

ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока

Подобные контроллеры часто применяются в бесколлекторных двигателях в качестве измерителей угла поворота.

Датчик расхода

Датчик расхода на аналоговом ДХ устроен так, что объем пропущенного через этот датчик вещества пропорционален изменению магнитной индукции поля вокруг него.

Датчик положения

Чтобы собрать датчик положения на ДХ, нужно к отслеживаемой цели подключить магнитную пластину. Когда эта пластина будет менять положение относительно магнита в ДХ, поле будет менять свой состав и по изменению индукции этого поля можно будет определить положение объекта.

Цифровые

Такие контроллеры применяются в электронике и промышленности для управления включением и выключением, например, станков с численным программным управлением, а также для регулирования работы автоматизированных систем.

Датчики

На цифровых ДХ собирают различные контроллеры, способные отслеживать изменение различных величин и реагировать на изменения.

Контроллер частоты вращения

Контроллеры Холла, измеряющие частоту вращения чего-либо, называются энкодерами. Обычно их несколько устанавливается на определенную позицию, через которую проходит несколько магнитов с вращающегося объекта.

Как только магнит пересекает первый датчик, последний выдает на выходе уровень логической единицы. С другими контроллерами аналогично. Момент появления логической единицы на одном из датчиков позволяет оценить частоту вращения объекта.

Контроллер системы зажигания авто

Система зажигания устроена таким образом, что имеет два устойчивых состояния: включено-выключено. Такие же устойчивые логические уровни имеют цифровые ДХ. Соединить эти приборы в одно устройство не составляет труда: к системе зажигания присоединяется магнитная пластина.

Когда система находится в положении «включено», пластина пересекает магнитное поле ДХ и разность потенциалов в проводнике контроллера изменяется. Этим изменением можно управлять различными системами авто.

Контроллер положения клапанов

Если к клапану подсоединить магнитную пластину, а ее расположить рядом с контроллером Холла, то при открытии (или, наоборот, закрытии) клапана индукция поля и, как следствие, напряжение в проводнике изменится, а это изменение переведет контроллер в одно из логических состояний (ноль, единица).

Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.

Контроллер бумаг в принтере

Наличие бумаги в принтере можно фиксировать точно так же, как и положение клапанов. Есть флажок, который устанавливается и пересекает поле постоянного магнита ДХ, если в принтер поступает бумага.

Устройства синхронизации

Датчики синхронизации активно применяются в автомобилестроении, где они регулируют время и объем подачи топлива, углы опережения зажигания и поворота распределительного вала, а также других показателей.

Такие датчики представляют собой намагниченный сердечник с медной обмоткой, на концах которой фиксируют разность потенциалов.

Счетчик импульсов

С помощью эффекта Холла можно считать поступающие в проводник импульсы. Импульс – сигнал высокого уровня. Соответственно, есть сигнал низкого уровня (обычно это 0). Если импульс поступает на проводник, то на его концах создается разность потенциалов под действием магнитного поля. Когда импульс пропадает, разность потенциалов тоже исчезает. По скорости появления-пропадания напряжения в проводнике можно судить о количестве импульсов: зная время и скорость можно определить количество.

Блокировка дверей

Магнит контроллера располагается на двери машины, например, а сам контроллер – на дверной коробке. Как только замок, не снятый с сигнализации, попытается кто-то открыть и потянет на себя ручку двери, подключенная система заблокирует двери и предотвратит доступ в машину. Так и работает блокировка дверей с применением ДХ.

Вместо системы блокировки дверей к датчику можно подключить сирену или другую сигнализацию.

Измеритель расхода

Расходометр на ДХ устроен таким образом, что каждое изменение магнитного потока, фиксируемое контроллером, равняется определенной порции прошедшего вещества (жидкости, например).

Бесконтактное реле

Бесконтактные реле на ДХ так устроены, что при изменении магнитной индукции поля вокруг проводника на нем меняется напряжение и это изменение разности потенциалов провоцирует переключение реле.

Детектор приближения

Контроллер приближения на цифровом ДХ аналогичен контроллеру на линейном ДХ с той лишь разницей, что цифровой выдает только два уровня сигнала – высокий и низкий – а аналоговый –бесконечное множество, то есть, например, цифровым контроллером можно только включить и выключить свет, а аналоговым включить на определенную величину, сделать свет ярче или тусклее, а потом выключить.

Какие функции выполняет в смартфоне

Когда человек подносит смартфон близко к уху, экран телефона гаснет для предотвращения случайных нажатий. Как это удалось реализовать разработчикам? При помощи цифрового датчика приближения, основанного на эффекте Холла.

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

  1. Ферритовое кольцо.
  2. Проводник для тока.
  3. Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
  4. Дифференциальный усилитель.

В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.

Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.

Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

  1. Многофункциональность. Контроллеры Холла, как описано выше, могут играть роль десятков видов датчиков.
  2. Надежность. Не подвержены износу т.к. не имеют движущихся частей. На их работе не влияет ни влага, ни пыль (вибрация в меньшей степени).
  3. Простота. Практически не требует обслуживания.

Среди недостатков ДХ выделяют:

  1. Низкий радиус действия. Обычно ДХ не работает на расстоянии больше 10 см. В противном случае придется использовать очень сильный магнит.
  2. Сложно обеспечить стабильность измерений. Из-за постоянно меняющегося магнитного поля точность измерений ДХ всегда будет немного колебаться.

Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.

Чем выше температура, тем быстрее движутся заряды в проводнике, тем чувствительнее датчик ко всем колебаниям магнитного поля.

prodatchik.ru

Датчик Холла принцип работы | КакУстроен.ру

Датчик Холла своим появлением обязан американскому учёному-физику Эдвину Холлу, который в 1879 году совершил важное открытие гальваномагнитного явления. Практическая ценность эффекта Холла такова, что датчик, изготовленный на его основе, применяется в самых разных приборах и поныне. Сложное на первый взгляд устройство датчика не является таковым, если детально в нём разобраться. Итак, как же работает датчик Холла?

Датчик Холла: на самом деле – всё просто

Прибор основан на эффекте Холла, который заключается в следующем: если на любой полупроводник, вдоль которого протекает электрический ток, оказать воздействие пересекающим поперёк магнитным полем, то возникнет поле электрическое, называемое электродвижущей силой (ЭДС) Холла. При этом показатель напряжения изменится на величину от 0,4 В до 3 В.

Таким образом, датчик Холла имеет не слишком сложный для понимания принцип работы. Для большей ясности стоит привести наглядный пример. Для создания эффекта Холла понадобятся тонкая пластинка-полупроводник, источник электрического тока, постоянный магнит, провода. Ток пропускается между двумя сторонами пластинки, параллельными друг другу. К двум другим сторонам крепятся провода. Одновременно с этим к полупроводнику подносится постоянный магнит. Это и есть генератор Холла.

Можно сделать его импульсным. Для этого достаточно разместить между пластинкой и магнитом движущийся экран с щелями в нём. Такая щелевая конструкция и принцип работы характерны для всех датчиков Холла.

От теории – к практике. Датчик холла: принцип работы и назначение современных генераторов

Практическое применение ЭДС Холла началось далеко не сразу после её открытия, так как полупроводники с нужными свойствами научились изготавливать промышленным способом лишь через несколько десятков лет.

Первые приборы получались довольно громоздкими и не очень эргономичными. Новую жизнь в судьбу датчика Холла привнесло развитие микроэлектроники, когда были придуманы микросхемы. Их стали активно использовать в генераторах Холла. Благодаря этому был налажен выпуск миниатюрных датчиков, которые могут быть линейными (датчики тока, вибрации, положения, расхода и т.п.) и логическими (датчики приближения, частоты вращения, импульсов и т.д.), цифровыми и аналоговыми.

С помощью датчика Холла стали успешно измерять ток, мощность, скорость, расстояние. Даже в CD-приводе любого персонального компьютера используется ЭДС Холла. Но наибольшее применение генератор Холла получил в автомобильной промышленности – для измерения положения распределительного и коленчатого валов, в качестве бесконтактного электронного зажигания и в других целях. Датчик Холла полезен тем, что он считывает и предоставляет электронному блоку управления информацию, нужную для нормальной работы автомобиля.

Несомненные преимущества датчика Холла – его дешевизна, неприхотливость, долговечность и бесконтактность. Надёжность прибора обусловлена тем, что в нём отсутствуют физически взаимодействующие (трущиеся друг о друга) детали.

kakustroen.ru

Датчик Холла и принцип его работы. Типы датчиков и их особенности

Содержание статьи

Что такое датчик Холла

Для того чтобы понять, что такое датчик Холла нужно сначала разобраться какие физические свойства он использует. Этот датчик использует внешние магнитные поля и их воздействием на проводники или полупроводники.

В них используется принцип Холла, который заключается в том, что если по проводнику или полупроводнику протекает ток в одном направлении и он проходит перпендикулярно магнитному полю, то можно измерить напряжение, проходящее под прямым углом к движению тока.

В 19 веке американский физик Эдвин Холл проводил эксперименты с пластиной золота через которую он пропускал электрический ток. Когда он поднес к пластине постоянный магнит, то обнаружил на гранях перпендикулярных протеканию тока разность потенциалов т.е. напряжение. В честь этого ученого и назвали этот эффект.

Датчик Холла является магнитным датчиком т.е. устройством, генерирующим электрические сигналы пропорциональные магнитному полю, которое к нему приложено. Далее сигнал может усиливаться и преобразовываться для дальнейшей обработки.

Самым простым примером применения эффекта Холла могут служить токоизмерительные клещи, которые применяются для бесконтактного определения силы тока, протекающего по проводнику.

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

  1. Аналоговые датчики Холла
    В этом типе датчиков использовано преобразование магнитной индукции напрямую в напряжение. Свое применение аналоговые датчики нашли в измерительных технических устройствах. Это, например, датчики тока, датчики вибрации, датчики угла поворота.
  2. Цифровые датчики Холла
    Цифровой датчик Холла имеет всего два положения, которые показывают наличие или отсутствие магнитного поля. Практически это аналог геркона, но если в герконе присутствует механический контакт, то цифровой датчик Холла бесконтактный.

Подразделяются такие датчики на три вида:

  • Униполярный – когда сила магнитного поля достигает определенной величины датчик срабатывает. Такие датчики откликаются только на один полюс. Если к датчику поднести магнит другим полюсом, то датчик на него не реагирует. Когда сила магнитного поля снижается датчик возвращается в исходное положение.
  • Биполярный – в этом случае имеет значение полярность магнитного поля. Один полюс включает датчик, другой полюс выключает.
  • Омниполярный датчик Холла – реагирует на любой магнитный полюс. Т.е. любой полюс может включать и выключать датчик. Это может быть, как южный, так и северный полюс.

Как правило цифровой датчик Холла имеет три вывода и внешне похож на транзистор.

На два вывода датчика подается питание, которое может быть, как однополярным, так и двуполярным. Третий вывод сигнальный. Такой тип датчиков часто применяется в бесконтактных системах зажигания, как датчик скорости в автомобилях и т.д.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

  • В смартфонах датчик Холла используется в комплекте с магнитным чехлом. Он позволяет определить чехол открыт или закрыт. Если чехол открыт, то смартфон включается, если открыт, то выключается. Также преобразователь Холла ориентирует телефон по горизонту земли и помогает работе компаса. На мобильных телефонах-раскладушках также применяется датчик Холла для определения телефон находится в открытом или закрытом положении.
  • В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
  • В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
  • В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
  • В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
  • В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
  • В системах определения уровня жидкости.
  • Для проверки наличия скрытой проводки.
  • Для измерения силы тока.
  • В робототехнических наборах для изучения эффекта Холла. Это позволяет наглядно показать, как используются магнитные поля в датчиках.

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Датчик Холла или геркон?

legoteacher.ru

Датчик Холла – энциклопедия VashTehnik.ru

Датчик Холла – небольших размеров чувствительный элемент, позволяющий отслеживать изменения магнитного поля. Открытию уже исполнилось 100 лет, явление, лежащее в основе принципа действия, известно с 1879 года, но лишь в последние несколько десятилетий изделия стали неотъемлемой частью образчиков технических достижений.

Датчики разного типа

Эффект Холла

Эдвин Холл показал, что в направлении, поперечном магнитному полю, в проводнике образуется ЭДС при протекании по нему постоянного тока. На практике это выглядит, как возникновении потенциалов на кромках металлической полосы, когда к полосе подносят магнит. В результате становится возможным фиксировать факт приближения к датчику. Разница потенциалов зависит по большей части от:

  1. Величины протекающего постоянного тока.
  2. Напряжённости магнитного поля.
  3. Подвижности и концентрации носителей заряда в материале.

До 1950-х годов, когда впервые создали регистратор микроволнового излучения, эффект Холла не применялся за пределами лабораторий. В массовое плавание запущен изготовителями компьютерных клавиатур – концерны оказались заинтересованы в отыскании бесконтактного пути регистрации положения клавиш и нашли таковой в 1968 году. Твердотельный датчик, изобретённый в 1965 году Джо Мопином и Эверетом Вортманом, сильно улучшил характеристики оборудования. Сейчас в промышленности отмечается ежегодный прирост потребности в сенсорах Холла, по оценкам, топовая пятёрка компаний-производителей собирает доход в 2 млрд. долларов.

Сегодня датчики Холла используют из-за указанной особенности – они практически вечные, не содержат движущихся и трущихся частей. В клавиатуре ломается преимущественно не чувствительный элемент, а контроллер. Известны вирусы, умеющие перепрограммировать чип и заражающие компьютер… через USB-клавиатуры. Кстати, спецслужбы давно уже взяли на вооружение метод, чтобы шпионить, а эффективной защиты против уязвимости попросту нет.

Эффект Холла проявляется в проводнике тем сильнее, чем меньше концентрация носителей заряда и больше подвижность. Металлы (на основе которых впервые продемонстрировано явление) не считаются идеальным материалом для создания датчиков. В гораздо большей степени для указанной целей годятся полупроводники. Одновременно это сильно снижает стоимость и повышает унификацию серийного производства.

Посмотрим, как работает датчик Холла. Представим полосу полупроводника, вдоль которой протекает постоянный ток. В отсутствие внешних возмущений внутри создаётся электрическое поле, приводящее в движение носители заряда. Предположим, теперь перпендикулярно поверхности полосы возникают линии постоянного магнитного поля. Возникающая сила Лоренца станет по правилу левой руки действовать на ход процесса. Напомним, что направление определяется так: «Если поместить левую руку так, чтобы линии магнитного поля оказались перпендикулярны ладони, а вытянутые пальцы смотрели в направлении движения зарядов (в физике – положительно заряженных частиц, а не отрицательных электронов), отогнутый на 90 градусов большой палец укажет в сторону действия силы Лоренца».

Загадки в эффекте Холла нет. Формула Лоренца предложена на добрый десяток лет позже – в 1892 году – прежде, чем люди узнали, что пластинка золота формирует разность потенциалов на торцах при протекании постоянного электрического тока. О влиянии магнитного поля на проводники в 1831 году однозначно высказывался Майкл Фарадей, благодаря тайному поклоннику которого мир узнал о генераторах и двигателях. Поныне неизвестно, кем придуман первый мотор постоянного тока. При обратном включении работающий генератором.

Эффект Холла открыт в 1879 году на базе университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Эдвин пытался проверить теорию Кельвина, озвученную тридцатью годами ранее, активно работал над изучением действия магнитного поля на золотую пластинку. Учёный ввёл коэффициент, показывающий продуцируемый эффект в зависимости от произведения приложенного магнитного поля и протекающего тока. Очевидно, что величина зависит от свойств материала. Момент уже обсуждался.

Эффект Холла

Достоинства сенсоров Холла

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

  1. Долгий срок службы (для клавиатуры – 30 млрд. нажатий).
  2. Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что явно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.
  3. Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.
  4. Простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.
  5. Широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).
  6. Высокая повторяемость измерений, что позволяет легко тарировать приборы на основе датчиков Холла.

Конструкция датчиков Холла

В ходе эксплуатации отлично проявились традиционные полупроводниковые материалы – арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на протяжении стороны прямоугольника. Где снимается сигнал – простейшие точечные. В любой схеме отмечается общая точка (нулевой провод, нейтраль), сумма контактов равняется трём. Отрицательные линии объединяются.

Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах остаётся, как правило, небольшой сигнал. Это объясняется не влиянием нашей планеты, как подумают читатели. Потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо ориентироваться на точечные импульсы, что часто делается на практике. Для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся лишь изменение сигнала).

Особенности конструкции датчика

Толщина плёнки проводника обычно мала, едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку используется способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с малой чувствительной площадью, что сильно и часто повышает точность измерений, ведь поверхность невелика. В приборах это используется для оценки положений деталей механизмов. Впрочем малогабаритные датчики обнаруживают сравнительно низкий отклик, измеряемый в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла параметр обычно укладывается в пределы от 0,03 до 1.

На практике это выглядит как генератор импульсов. Допустим, на валу двигателя стиральной машины стоит ряд магнитов, при обороте вырабатывается определённое количество пиков. В результате электронная начинка оценивает скорость вращения, угловое положение ротора, что используется, к примеру, в вентильных двигателях (с электронным переключением обмоток).

Сделаем отступление и объясним, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.

Применение датчиков Холла

  1. Датчики Холла широко применяются в бытовой технике. Красноречивый пример – стиральные машины. Пользователи ломают умы, как в продвинутых моделях производится взвешивание белья. В сети приводятся патенты, где при помощи пружин или тензодатчиков предлагается задачу решить в лоб. Подобные устройства не способны на большую надёжность, рискуя постоянно подвергаться деформациям. Вдобавок на бак вешается пара-другая кирпичей, значит, суммарный вес конструкции велик, что накладывает ограничения. На практике в стиральных машинах белья вначале обильно увлажняется, потом по скорости разгона барабана оценивается общая масса. Так происходит взвешивание белья, в дальнейшем определяющее программу работы оборудования, расход порошка, воды, ополаскивателя.
  2. В компьютерных клавиатурах датчики Холла впервые вошли в серийное производство. Обычно на подложке стоит чувствительный элемент, на клавише крепится магнит. Понятно, что пружин внутри современной клавиатуры уже нет, а сила упругости создаётся за счёт полимеров с высоким сроком службы. Решение крайне удачное: ломается не датчик и не упругая механическая часть, выходит из строя контроллер.
  3. Датчик Холла возможно применять для измерения силы тока (как в токовых клещах). Прибор может реагировать на изменение электромагнитного поля, окружающего провода. Создаётся так называемая обмотка возбуждения (индуктивность из медной проволоки). Измеряемый ток подаётся на отводы, в результате образуется электромагнитная волна, часть оценивается датчиком Холла. Отклик зависит напрямую от измеряемой величины. Расчёт ведётся по формулам, заложенным, к примеру, в контроллер. Для точности прибор тарируется заводом изготовителем. Причём сохраняются упомянутые выше преимущества, прежде всего – отсутствие подвижных частей. Аналогичным образом при помощи датчиков Холла становится возможным измерение мощности.

    Применение датчика

  4. Преобразование постоянного напряжение в переменное считается примером создания генератора. Если датчик Холла находится в переменном магнитном поле, напряжения на выходе повторяет форму. КПД прибора не отличается высоким значением. Зато конструкция упрощается до максимума, становится возможным непосредственная передача формы магнитного поля электрическому току.
  5. В связи с описанными выше фактами отметим, что датчики Холла позволяют контролировать расход и заполненность заряда аккумуляторов (посредством измерения протекающего тока и интегрирования его по времени). Это обусловливает возможность их самого широкого применения. Например, в сотовых телефонах (до 37% рынка). Но специалисты считают, что самым многообещающим направлением является сегмент электромобилей, где вопрос наличия энергии будет жизненно важным.
  6. Благодаря наличию магнитного поля Земли становится возможным создание на основе датчиков Холла компасов. Проблема заключается лишь в том, что величина в Тл неравномерная по поверхности материков и континентов, требуется ввод методов коррекции измерений. За счёт указанного эффекта иногда работают автоматические системы стабилизации изображения видеокамер мобильных устройств.
  7. Мало известно, но 52% доходности от выпуска датчиков Холла приходится на автомобильную промышленность. В этой отрасли требуется измерять частоты вращения колёс, коленчатого и распределительного валов. Читатели уже догадались, что датчик Холла поможет с определением положения дроссельной заслонки, руля. Автомобильный рынок стал главной движущей силой для дальнейшего совершенствования приборов. Некоторые системы считаются стандартом де-факто (ASIC, ASSP, ESC/ESP и пр.) на рыке, и датчики Холла принимают в них живое участие.

vashtehnik.ru

устройство, принцип работы и назначение

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

Принцип действия и типы

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

Историческая справка

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

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

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

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

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

Классификация

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

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

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

Условное графическое обозначение приборов этого класса приведено на фото ниже:

Устройство и примеры использования

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

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

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

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

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

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

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

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

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

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

В бытовых условиях

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

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

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

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

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

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

Материалы по теме:

samelectrik.ru

Датчик Холла — принцип работы


В системах и устройствах каждого автомобиля есть масса приборов, которые несут только функцию информирования о том или ином процессе. На основе информации, которые эти устройства предоставляют, высшие по иерархии системы принимают решения о том или действии. Эти шпионы называются датчиками и собирают информацию о работе деталей и узлов, а после передают ее водителю. На современных автомобилях водитель избавлен от принятия большинства решений, поэтому всю работу делают за него электронные системы. Бесконтактная система зажигания и датчик Хoлла — яркий тому пример.

Содержание:

  1. Датчик Холла, что это такое
  2. Применение датчика в автомобиле
  3. Преимущества автомобильного датчика Холла
  4. Зажигание с датчиком Холла
  5. Подключение и проверка датчика Холла

Датчик Холла, что это такое

Все автомобильные датчики классифицируются по параметру, который они определяют. Это может быть датчик температуры, датчик массового расхода воздуха, датчик движения или датчик положения. Датчик на эффекте Холла как раз применяется для того, чтобы определять положение коленчатого или распределительного вала.

Вкратце разберемся с этим эффектом, тогда станет понятнее, что представляет собой это устройство. Гальваномагнитное явление было открыто в 1879 году Эдвином Холлом, а суть этого открытия в том, что при установке проводника с постоянным потенциалом в магнитное поле, появляется разность потенциалов, то есть электрический импульс. На основе этого являения работает не только часть системы зажигания автомобиля, но и ионные ракетные двигатели, приборы, которые измеряют напряженность магнитного поля, и даже во многих мобильных устройствах в виде основы для работы электронного компаса.

Применение датчика в автомобиле

Холловское напряжение давно применяется в машиностроении и конструкции серводвигателей. Он идеально подходит для того, чтобы определять углы положения валов, а на машинах архаичной конструкции, датчик применялся для определения момента возникновения искры. Схема датчика проста и мы ее помещаем ниже.

Суть работы устройства в том, что когда подают ток на две клеммы участка полупроводникового материала (на чертеже — клеммы «а») и помещают его в магнитное поле, на двух других клеммах возникает импульсное напряжение, а оно может восприниматься устройством-приемником, как сигнал к определенным действиям.

Автомобильный датчик Холла принцип работы которого показан на схеме ниже, но буквально ее воспринимать было бы ошибкой. Дело в том, что современные датчики Холла представляют собой все элементы начерченного датчика в одном крошечном корпусе. Это стало возможным тогда, когда появились миниатюрные полупроводниковые  приборы.

Преимущества автомобильного датчика Холла

Микроэлектроника позволила добиться от устройства очень маленьких размеров, при этом, сохранив полную функциональность. Основные преимущества устройства современного датчика Холла в следующем:

  • компактность;
  • возможность разместить в любой точке двигателя или любого другого механизма;
  • стабильность работы, то есть при любых оборотах вала, датчик будет корректно реагировать на его вращение;
  • стабильность не только в работе, но и стабильность характеристики сигнала.

Наряду с бесспорными достоинствами и функциональностью устройства, оно имеет некоторые проблемы:

  1.  Помехи — главный враг любого электромагнитного устройства. А помех в электрической цепи автомобиля более, чем достаточно.
  2.  Цена. Датчик, основанный на эффекте Холла дороже обычного магнитоэлектрического датчика.
  3.  Работоспособность датчика Холла сильно зависит от электронной схемы.
  4. Микросхемы могут иметь нестабильные характеристики, что может повлиять на корректность показаний.

Зажигание с датчиком Холла

Теперь попробуем применить датчик на практике, а, точнее, интегрировать его в систему зажигания. А установим мы его в прямо в трамблер для того, чтобы руководить процессом искрообразования в бесконтактной системе. Схема установки датчика Холла показана на рисунке. Он установлен возле вала прерывателя-распределителя, на котором установлена магнитопроводящая пластина. Пластина-ротор имеет столько вращающихся сердечников, сколько цилиндров у двигателя.

Поэтому при прохождении пластины ротора возле датчика с поданным на него напряжением, возникает эффект Холла, с выводов датчика снимается импульс и подается на коммутатор, а оттуда на катушку зажигания. Она преобразует слабый импульс в высоковольтный и передает его по высоковольтному проводу на свечу зажигания.

Подключение и проверка датчика Холла

Подключить любой датчик Холла довольно просто, поскольку он имеет всего три вывода, один из которых минусовой и идет на массу, второй — питание, третий — сигнальный, с него и поступает импульс на коммутатор. Проверить, работает ли датчик довольно просто. Если автомобиль подает признаки неисправности системы зажигания, которые выражаются в плохом пуске или нестабильности работы, первое, что нужно проверить — именно этот датчик.

Для этого не нужно никаких сложных осциллографов, хотя по науке ДХ проверяют именно при помощи осциллографа. Для проверки работоспособности устройства, достаточно просто закоротить 3-й и 6-й вывод на колодке трамблёра. При включенном зажигании закороченные выводы приведут к образованию искры, что говорит о том, что датчик свое отжил.

Замена датчика — занятие на 10 минут, но чтобы не покупать новый, лучше проверить установленный, вполне возможно, что зажигание работает некорректно по другой причине. Таким образом, можно обнаружить поломку, сэкономить время и не покупать лишние детали. Следите за простейшими приборами, и неприятные сюрпризы будут обходить автомобиль стороной. Плотной всем искры и удачи в дороге!

Читайте также:


avtoshef.com

где находится устройство, проверка на неисправности мультиметром и замена своими руками

Датчик Холла или распредвала — это такое устройство, которое отвечает за образование искры для запуска двигателя. От его рабочего состояния зависит бесперебойное функционирование двигателя авто.

Содержание

Открытьполное содержание

[ Скрыть]

Для чего нужен датчик Хола в автомобиле?

Прибор используется вместо контактных элементов и может применяться для слежения за величиной тока нагрузки. Благодаря этому датчику выполняется деактивация двигателя при появлении токовых перегрузок в бортовой сети. Если контроллер перегревается, производится включение температурной защиты.

Принцип работы

Скачки напряжения в электросети мотора могут иметь последствия для датчика. Поэтому современные устройства дополнительно комплектуются диодными элементами, которые препятствуют обратной активации напряжения. Принцип действия приспособления основан на эффекте Холла. Поперечная разность потенциалов образуется при перемещении одного из проводников в магнитное поле. Данный эффект достигается благодаря тому, что токи проходят через клеммные элементы пластины, которая находится в самом поле, с полупроводником.

Когда работает двигатель и вал силового агрегата вращается, стальные лопасти ходят по специальным прорезям, установленным внутри корпуса. Это способствует подаче электрического сигнала на коммутаторное устройство. В результате узел открывает транзисторный элемент и подает напряжение на катушку. Последняя выполняет процедуру преобразования низковольтного импульса в высоковольтный. Этот сигнал подается на свечи зажигания.

Подробно о принципе действия контроллера Холла рассказал канал «Радиолюбитель TV».

Где находится и как выглядит?

При необходимости замены неисправного устройства потребителю надо знать, где стоит контроллер. Он располагается в трамблере автомобиля и выполнен в корпусе в виде небольшого цилиндрического элемента. Чтобы получить доступ к устройству, необходимо разобрать распределительный узел и снять крышку, бегунок и прочие детали механизма. На наружной стороне трамблера к контроллеру Холла подключается разъем с проводкой.

Устройство

Оптический регулятор положения распределительного вала устроен так:

  • 1 — постоянное магнитное устройство;
  • 2 — лопасть роторного механизма;
  • 3 — магнитопроводы;
  • 4 — пластиковый корпус, в который заключаются все элементы устройства;
  • 5 — плата;
  • 6 — контактные выводы.

Схема приспособления контроллера Холла

Устройство комплектуется тремя контактами:

  • первый используется для подключения к массе, то есть кузову автомобиля;
  • второй необходим для подсоединения плюсового напряжения, рабочий параметр которого составляет примерно 6 вольт;
  • третий контакт предназначен для подачи с него импульса на коммутаторное устройство.

Какие могут быть неисправности?

Признаки неполадок контроллера Холла:

  1. Наблюдается резкий рост потребления топлива в системе. Это обусловлено тем, что впрыск горючей смеси в силовом агрегате происходит больше одного раза за цикл прокручивания коленвала.
  2. Мотор машины стал функционировать менее стабильно. Транспортное средство во время движения дергается, мощность двигателя может резко падать. Иногда не получается увеличить скорость машины более чем на 60 км/ч. Во время движения силовой агрегат может произвольно заглохнуть.
  3. Иногда поломка датчика Холла становится причиной фиксации рычага трансмиссии. Скорости коробки передач переключить не получается, такая особенность характерна для новых иномарок. Чтобы решить проблему, необходимо перезапустить силовой агрегат.
  4. Неисправность может проявиться в виде отсутствия искры для воспламенения горючей смеси. Из-за этого запуск мотора машины будет невозможен.
  5. Вероятны сбои в функционировании системы самодиагностики. К примеру, на контрольном щитке появляется индикатор проверки мотора, если агрегат работает на холостом ходу. Когда обороты двигателя увеличиваются, ошибка с приборной панели пропадает.

Канал «Авто-Мото» рассказал о признаках неисправности регулятора, а также других элементов системы зажигания в автомобиле.

Если сам контроллер Холла целый и рабочий, то неисправность может быть связана с такими причинами:

  1. На корпус устройства попала грязь или другие посторонние предметы.
  2. Произошло повреждение либо обрыв сигнального кабеля, по которому подключен контроллер.
  3. В колодку для соединения датчика Холла с бортовой сетью попала влага. Решить проблему можно путем просушки разъема.
  4. Произошло замыкание сигнального проводника с кузовом или электросетью транспортного средства. Для определения неисправности необходимо прозвонить устройство.
  5. Произошло повреждение экранирующей составляющей на жгуте с проводкой. Возможен обрыв отдельных кабелей.
  6. Проблема может заключаться в повреждении проводников, предназначенных для питания контроллера Холла.
  7. При подключении устройства была спутана полярность. Из-за этого датчик функционирует некорректно или вовсе не работает.
  8. Неисправности в функционировании высоковольтной цепи системы зажигания.
  9. Неполадки в функционировании управляющего модуля автомобиля.
  10. При установке контроллера был неверно выставлен люфт между самим датчиком, а также магнитопроводящей пластиной.
  11. Проблема может заключаться в повышенной амплитуде торцевого воздействия шестеренки распредвала. Требуется детальная диагностика схемы.

Дмитрий Мазницын в ролике рассказал о причинах неисправности регулятора и дал рекомендации по их устранению.

Проверка датчика

Есть несколько способов диагностики контроллера. Самый точный вариант, который позволит получить осциллограмму — воспользоваться специальным оборудованием. Осциллограф не только определит состояние контроллера, но и даст точно понять, что устройство скоро выйдет из строя. Такое оборудование есть не у каждого электрика, поэтому ниже рассмотрены более простые, но не менее эффективные варианты.

Диагностика мультиметром

Перед выполнением тестирования устройство надо настроить в режим измерения постоянного тока, рабочий диапазон должен составить 20 вольт. Также потребуется два металлических штыря. Перед проведением диагностики с разъема устройства демонтируется резиновый чехол.

Процедура предварительной проверки, позволяющей установить, что на контроллер Холла подаются необходимые сигналы, выполняется так:

  1. С распределительного узла отключается основной бронепровод. Его необходимо соединить с массой автомобиля для предотвращения случайного появления разряда. Поскольку это приведет к запуску силового агрегата при диагностике.
  2. Затем производится активация системы зажигания.
  3. Разъем отключается от распределительного механизма.
  4. На тестере выставляется режим постоянного тока с диапазоном 20 вольт.
  5. Отрицательный контакт мультиметра подключается к кузову автомобиля, можно выбрать любое место. Положительный выход тестера будет использоваться для замера рабочего параметра напряжения.
  6. Разъем, подключенный к распределительному узлу, оснащается тремя контактами — красным, зеленым и белым, но расцветка проводников может быть другой. На первом выходе величина напряжения должна составить 11,37 вольт либо около 12 В, на втором — тоже в районе этого показателя. А на последнем проводнике рабочий параметр должен составить 0 вольт.

Следующий этап диагностики:

  1. Берутся два металлических штыря, можно использовать гвозди. Один из них устанавливается в средний контакт колодки (обычно зеленый цвет), а другой подключается к массе. Его расцветка, как правило, белая. Затем сам разъем подсоединяется обратно к распределительному устройству. Штыри используются в качестве проводников тока. На обратной стороне разъема открытых контактов нет, поэтому для проверки сами кабели придется оголить, а делать это не рекомендуется.
  2. Затем зажигание активируется. Положительный контакт тестера надо подключить к штырю среднего выхода на разъеме, а отрицательный — к белому проводнику. Производится замер напряжения. Если контроллер Холла рабочий, то полученная величина должна составить около 11,2 вольт.
  3. Затем надо прокрутить коленчатый вал силового агрегата и одновременно проверить показатели, которые выдает тестер. Если значения в ходе прокручивания снизятся до 0,02 вольт и затем увеличатся до 11,8 В, то это нормально. Так и должно быть в нижнем и верхнем пределе измерений. Можно отключать тестер.

Контроллер Холла считается рабочим, если при прокручивании коленчатого вала верхний предел измерений будет не ниже 9 вольт, а нижний — не выше 0,4 В.

Канал «Автоэлектрика ВЧ» подробно показал процедуру диагностики датчика с использованием тестера и рассказал об основных особенностях этого процесса.

Проверка сопротивления

Чтобы произвести диагностику этого параметра, потребуется простое устройство, состоящее из резисторного элемента на 1 кОм, диодной лампочки, а также гибких кабелей. К ножке источника освещения надо подключать резистор, для надежной фиксации используется пайка. К этой детали подсоединяются два проводника необходимой длины, важно, чтобы они были не короткими.

Принцип проверки выглядит так:

  1. Производится демонтаж крышки распределительного механизма. От контактов отсоединяется сам трамблер, а также колодка с проводами.
  2. Выполняется диагностика исправности электроцепи. Для этого тестер надо соединить с первой и третьей клеммами, а затем активировать зажигание. Если все проводники целые, то величина напряжения на дисплее мультиметра составит от 10 до 12 вольт.
  3. Затем аналогичным образом выполняется подключение собранного прибора к тем же выходам. Когда полярность соблюдена, то диодная лампочка загорится, если нет — то кабели надо поменять местами.
  4. Потом проводник, подключенный к первому выходу, остается нетронутым. А конец третьей клеммы переключается на вторую. Выполняется прокручивание распределительного вала. Это можно сделать руками либо с использованием стартерного механизма.
  5. Если в процессе выполнения этих действия источник освещения стал моргать, то контроллер работает правильно и не нуждается в замене.

Канал Altevaa TV рассказал о способе проверки датчика с использованием обычной лампочки на примере автомобиля Фольксваген.

Создание имитации контроллера Холла

Такой вариант диагностики датчика Холла считается наиболее быстрым, но его реализация возможна при наличии питания в системе зажигания и отсутствия искры.

От распределительного механизма отключается трехконтактный разъем. Производится активация зажигания в машине и с помощью куска проводника замыкаются контакты под номерами 2 и 3, это выходы сигнала и пин. Если в результате подключения на центральном кабеле образовалась искра, это говорит о поломке контроллера Холла. При выполнении задачи высоковольтный проводник необходимо держать у массы авто.

Устранение неисправностей

Ремонт рассмотрен на примере автомобиля Фольксваген.

Для восстановления работоспособности датчик можно отремонтировать:

  1. Для возобновления работы контроллера необходимо заменить логический компонент. Для этого заранее надо приобрести устройство S441А.
  2. В центральной части корпуса датчика, как показано на фото, с помощью дрели просверливается небольшое отверстие. Для этого потребуется качественное сверло, поскольку внутри контроллера, за пластиковой частью, имеется металлический каркас.
  3. Используя канцелярский нож, необходимо срезать каждый проводник. Затем прокладываются канавки от сделанного отверстия с помощью надфиля к остаткам кабелей.
  4. Само измерительное устройство монтируется в окошко корпуса. Для диагностики используется магнит. Если приложить этот элемент к контактам, на которые заранее подключен прибор, состоящий из диодной лампочки и резистора. Такое устройство использовалось для диагностики. В результате проверки лампа должна загореться. Если этого не произошло, то надо проверить полярность.
  5. Затем делается разводка выводов по канавкам корпуса. В самом окошке необходимо оставить проводники для соединительной колодки нового контроллера. Производится пайка элементов.
  6. На завершающем этапе производится проверка выполненных действий. Для этого используется тестер. Визуально необходимо убедиться в целостности всех контактов. Если устройство рабочее, то механизм герметизируется с помощью клея или другого состава, но не пластика. Этот материал может деформироваться при работе в условиях повышенных температур.
  7. Выполняется сборка контроллера, все действия осуществляются в обратной последовательности.

Как заменить датчик своими руками?

Чтобы поменять контроллер, надо действовать так:

  1. От аккумулятора автомобиля отключаются клеммные зажимы.
  2. Производится демонтаж распределительного механизма. От устройства отсоединяется колодка с проводниками, выкручиваются болты, фиксирующие узел.
  3. Выполняется демонтаж крышки распределителя. В зависимости от модели трамблера она может фиксироваться на болтах или специальных зажимах. Элементы крепления выкручиваются и демонтируются.
  4. После снятия важно совместить риску газораспределительного устройства с отметкой на коленвале силового агрегата. Также необходимо запомнить положение распределительного узла. Перед снятием рекомендуется сделать соответствующую метку.
  5. Элементы крепления корпуса откручиваются с помощью гаечного ключа. Производится демонтаж фиксаторов, если они установлены на механизме.
  6. Из распределительного узла извлекается вал.
  7. От контроллера Холла отсоединяются зажимы с клеммами.
  8. Выполняется демонтаж датчика из посадочного места. Для проведения задачи устройство надо потянуть на себя и аккуратно извлечь. Датчик демонтируется через появившееся отверстие.
  9. Берется новый контроллер и устанавливается вместо старого. Процедура монтажа выполняется в обратной последовательности.

Видео «Последствия неправильной установки датчика Холла»

Пользователь Дядя Саша рассказал, к чему может привести неверный монтаж устройства и дал рекомендации по устранению такой проблемы.

autodvig.com

Что такое датчик Холла?

Датчик Холла (датчик положения) представляет собой датчик магнитного поля. Работа устройства основана на эффекте Холла. Данный эффект основан на следующем принципе: если поместить определенный проводник с постоянным током в магнитное поле, то в таком проводнике возникает поперечная разность потенциалов (напряжение Холла). Другими словами, устройство служит для измерения напряжённости магнитного поля. Сегодня датчик Холла может быть как аналоговым, так и цифровым.

Сфера применения датчиков Холла очень широка. Устройство используется в таких схемах, где требуется бесконтактное измерение силы тока. Что касается автомобилей, датчик Холла служит для измерения угла положения распределительного или коленчатого вала, а также нашел свое применение в системе зажигания, указывая на момент образования искры.

Содержание статьи

Как работает датчик Холла

Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.

Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения. Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.

Простейший датчик состоит из:

  • постоянного магнита;
  • лопасти ротора;
  • магнитопроводов;
  • пластикового корпуса;
  • электронной микросхемы;
  • контактов;

Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве топливного электробензонасоса, а также о механическом решении. Из этой статьи вы узнаете о назначении, конструктивных особенностях и принципах работы данных устройств.

Аналоговые и цифровые решения

Датчики на основе эффекта Холла фиксируют разницу потенциалов. Аналоговое решение, рассмотренное выше, основано на преобразовании индукции поля в напряжение с учетом полярности и силы поля.

Принцип работы цифрового датчика состоит в фиксации присутствия или отсутствие поля. В случае достижения индукцией определенного показателя датчик отмечает наличие поля. Если индукция не соответствует необходимому показателю, тогда цифровой датчик показывает отсутствие поля. Чувствительность датчика определяется его способностью фиксировать поле при той или иной индукции.

Цифровой датчик Холла может быть биполярным и униполярным. В первом случае срабатывание и отключение устройства происходит посредством смены полярности. Во втором случае включение происходит при появлении поля, отключается датчик в результате того, что индукция снижается.

Самостоятельная проверка устройства

Активное использование данного устройства в автомобилях означает, что при появлении определенных неисправностей или сбоев в работе ДВС может возникнуть острая необходимость проверить датчик Холла своими руками.

Перед началом работ по отсоединению разъема кабеля, который подключен к устройству, следует обязательно выключать зажигание!

Игнорирование данного правила может вывести датчик Холла из строя. Необходимо добавить, что проверка устройства при помощи контрольной лампы также недопустима.

  1. Одним из самых быстрых способов проверки является установка заведомо исправного подменного датчика на автомобиль. Если признаки неисправности после установки исчезают, тогда причина очевидна.
  2. Вторым способом, который подойдет для проверки датчика в системе зажигания, является проверка наличия искры в момент включения зажигания. Дополнительно потребуется осуществить подсоединение концов провода к нужным выходам на коммутаторе.
  3. Для максимально точной диагностики устройство лучше всего поверять при помощи осциллографа. Также в определенных условиях датчик проверяют при помощи мультиметра. Указанный мультиметр переводят в режим вольтметра, после чего подсоединяют к выходному контакту на датчике. Рабочий датчик Холла выдаст показания от 0.4 Вольт до 3-х. Если показания ниже минимального порога, тогда высока вероятность выхода датчика из строя.

Читайте также

krutimotor.ru

принцип работы, применение, проверка мультиметром

Датчики, иное название сенсоры, служат для регистрирования изменения различных физических величин и передачи полученной информации обрабатывающим устройствам. Если к проводнику подвести постоянный заряд и поместить его в магнитное поле, то возникнет разность потенциалов. Этот эффект был обнаружен в 1897 году учёным Эдвином Холлом. Основываясь, на этом эффекте был создан датчик, названный в честь изобретателя датчиком Холла.

Принцип работы прибора

Это устройство, регистрирующее напряжённость магнитного потока. Фактически это сенсор наличия магнитного поля. Датчики выпускаются как цифрового, так и аналогового типа. Первый тип основан на измерении индукции поля и формирования соответствующего напряжения, а второй тип реагирует на изменение полярности магнитного потока.

Принцип действия датчика Холла построен на гальваномагнитном явлении. Это явление представляет собой результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником, который подключён к электрической энергии, и при этом изменяются его электрические свойства. Эффект Холла проявляется, если в полупроводнике, расположенном в магнитном потоке, при протекании по нему тока образуется поперечное напряжение. При этом направление заряда перпендикулярно вектору направления поля. Возникающее явление объясняется тем, что на подвижные электроны или дырки в магнитном потоке воздействует сила Лоренца, приводящая к их отклонению.

В простом примере эффект Холла представляется в следующем виде. В полупроводнике под влиянием силы Лоренца носители заряда перемещаются в разные стороны, соответствующие своему знаку. На одной стороне полупроводника скапливаются электроны, отрицательный заряд, а на другой откуда переместились электроны — положительный заряд. Между этими сторонами из-за разности зарядов образуется электрический поток, который препятствует перемещению зарядов под влиянием силы Лоренца. Когда наступает момент равенства сил Лоренца и магнитного поля, полупроводник переходит в состояние равновесия.

По своему виду датчики могут выпускаться с разным числом контактных выводов и бывают:

  • двухконтактные;
  • трёхконтактные.

Так как уровень сигнала на выходах сенсора низкий, к его выходам подключается операционный усилитель. При добавлении триггера получается простое устройство, срабатывающее при определённом значении магнитного поля и вида проводимости. В цифровой электронике датчики, дополняющиеся логическими элементами, разделяются на три группы:

  1. Униполярные. Прибор регистрирует только изменение одной величины носителей заряда, дырочной или электронной проводимости.
  2. Биполярные. Сенсор реагирует на оба вида носителей заряда, но выполняет по отношению к ним противоположные действия. Например, при регистрации электронной проводимости подключённый к нему прибор начинает работать, а при регистрации дырочной проводимости отключается.
  3. Однополярные. Регистрируют просто появление проводимости и не зависят от её типа.

Датчик, использующий три вывода, в своём корпусе содержит транзистор с открытым коллектором, так как ток прибора малый с ним применяется в паре усилитель сигнала.

Применение эффекта Холла

Существует линейная зависимость между возникающей разностью потенциалов и магнитной индукцией, приводящей к её появлению. На этом и построены устройства с датчиком Холла, измеряющие магнитную индукцию.

Приборы, использующие в работе преобразователи Холла, применяются для проведения всевозможных измерений. Используя явление, при котором магнитное поле появляется под воздействием электрического тока, индукция магнитной силы соотносится с ним, и создаются бесконтактные измерители силы тока. Такой прибор выгоден при вычислении величин больших постоянных токов в проводах, которые при измерении обычным амперметром пришлось бы разрывать. Кроме этого, широкое применение получили приборы с сенсорами Холла для измерения электрической мощности, фиксирования линейных и угловых перемещений, плотности носителей заряда в полупроводнике.

Главным параметром прибора, построенным на эффекте Холла, является магнитная чувствительность. Она характеризуется соотношением появляющегося напряжения к значению магнитной индукции, то есть напряжением, при индукции равным единице.

Особое применение сенсоры получили в электродвигателях. В них датчики располагают таким образом, что устанавливаясь на статоре, отслеживают положение ротора. Установив магнит постоянного поля, получается счётчик оборотов. Величина магнитного поля, обеспечивающая срабатывание датчика, находится в пределах 150 Гауссов.

Использование в автомобилях

В машине датчик применяется в системе зажигания. Без его участия правильная работа мотора в автомобиле невозможна. Располагается он на трамблере и определяет момент появления искры, заменяя собой контактор. Здесь может использоваться как биполярный, так и униполярный вид сенсора.

Проводя измерения количества возникающих импульсов, сенсор сообщает блоку электроники информацию о необходимости создания искры. В состав прибора входят: постоянный магнит, металлический экран с отверстиями, полупроводниковая пластина. Схема работы основывается на том, что через устроенные отверстия в полупроводник проникает магнитный поток, в результате чего появляется разность потенциалов. Когда прорези закрыты экраном, поток не проходит, и напряжение не возникает. Таки образом, открывая и закрывая прорези экраном, создаётся импульсный сигнал на выходе устройства.

Датчик содержит три вывода, согласно его распиновке слева направо:

  • первый подключается к корпусу автомобиля;
  • на второй подводится напряжение равное шести вольтам;
  • третий используется как информационный.

Кроме этого, датчик используется для контроля токовой перегрузки. При появлении перегрузки происходит нагрев сенсора и срабатывание температурной защиты.

Из-за нарушений, возникающих в работе сенсора, возникают различные неисправности, что сказывается на запуске двигателя, появления рывков при работе, или просто его остановки. Проверить работоспособность датчика в автомобиле проще всего вращением коленчатого и распределительного вала. При нормальной работе светодиод, расположенный на контрольной панели, должен мигать.

При отсутствии бортового светодиода возможно выполнить приспособление самостоятельно. Для этого понадобится резистор на один килоом, светодиод и провода. Резистор последовательно соединяется со светодиодом, и от конструкции делаются отводы на проводах. Трамблер отключается и проводится подключение проводов от светодиода и резистора, после чего проворачивается распределительный вал. В результате светодиод должен мигнуть.

Для получения точных результатов лучше провести проверку датчика холла мультиметром. Потребуется любой тестер с возможностью измерения напряжения. При рабочем датчике напряжение на его выводах составит до 11 вольт. Сначала измеряется присутствие необходимых напряжений на контактной колодке трамблера. Обычно присутствуют три напряжения, равные 12 вольтам, и на одном контакте напряжение должно отсутствовать.

Включается зажигание. Положительный щуп устанавливается на выход клеммы датчика, а минусовой на провод с нулевым значением напряжения. Величина напряжения составляет около 11 вольт. При провороте коленвала напряжение должно изменяться, при этом наибольшее значение не должно опускаться ниже девяти вольт, а наименьшее быть не более 0,5 В.

Преобразователь Холла в смартфоне

Имея небольшие размеры, сенсоры Холла нашли своё применение и в электронных гаджетах. Используя его свойства в смартфонах, улучшается позиционирование, быстрее происходит запуск GPS поиска, увеличивается срок службы в автономном режиме. Применяя способность сенсора реагировать на магнитное поле, преобразователь используется также в телефонах вида «раскладушка» и ноутбуках. Месторасположение датчик занимает на лицевой стороне устройства, что увеличивает его реакцию на изменение магнитного поля.

Из-за присутствия датчика происходит автоматическое включение экрана ноутбука при его открытии или выключение при закрытии. Также и с телефоном — «раскладушкой». В смартфонах такая функция реализуется с применением чехла книжки. Датчик регистрирует величину магнитного поля, исходящего от миниатюрного магнита, вмонтированного в середину чехла. При открытии чехла, сила действия магнитного потока ослабевает, и устройство включает подсветку экрана.

Важно отметить, что использование магнита не оказывает никакого негативного влияния на гаджет, а сам датчик Холла в принципе работы применяет регистрацию магнитного потока. Он регистрирует силу магнитного поля, а не сравнивает его напряжённость. Преобразователь Холла в мобильных устройствах также имеет следующий функции:

  • помогает в ориентирование по горизонту земли;
  • обеспечивает работу компаса устройства;
  • включает и отключает экран при совместном использовании с магнитом.

Ориентирование экрана — это функция, используемая в любом современном телефоне. При разном положении гаджета в пространстве изображение на экране всегда будет правильным, а не перевёрнутым. Такую функцию можно и отключить, для этого в настройках смартфона выбирается последовательно: настройки, экран блокировки, расширенные возможности, режим смарта. Если в настройках пункта нет, придётся выпаять преобразователь из схемы.

Кроме этого, специальная микросхема, получая сигнал от преобразователя Холла, приводит к коррекции изображения. Это проявляется при фотографировании или при смене времени суток. Участвуя в работе GPS навигации, устройство помогает увеличить точность позиционирования.

Чтобы знать, как проверить датчик Холла в телефоне, особых умений не понадобится. Для этого нужно поднести любой магнит к корпусу или экрану устройства. При его работоспособности экран погаснет, если магнит убрать — загорится.

Устройство в бытовой технике

Очень часто в бытовой технике, использующей мотор (например, стиральная машинка) для подсчёта количества оборотов стоит сенсор Холла. Он имеет вид кольца с двумя проводами и крепится к ротору электродвигателя. Его работа устроена следующим образом: за счёт вращения вала на сенсор поступает напряжение, сила которого зависит от скорости вращения ротора. Чем обороты больше, тем больше и разность потенциалов. Электронный узел анализирует величину напряжения и выставляет требуемую скорость вращения.

Чтобы проверить преобразователь, потребуется взять мультиметр и прозвонить сопротивление сенсора. Нормальная величина рабочего прибора составляет около 60 Ом. Если мультиметра нет, можно взять простой вольтметр и измерить напряжение на том месте, где подключается сам датчик.

Схема для практического повторения

Несложная схема с применением датчика Холла, применяемая для регистрации открытия двери, не представляет сложности для самостоятельной сборки. Достоинство использования сенсора в том, что его работе не требуется механический контакт, как, например, геркону. Датчик размещается на дверной коробке, а магнит на двери. В основе схемы используется датчик MH 183 и микросхема CD 4093. За питание отвечает источник напряжения на девять вольт.

При воздействии магнитного потока транзисторный ключ находится в активном состоянии. Сигнал с сенсора поступает на вход микросхемы и запрещает работу её генератора. Светодиод LED1 горит. Если дверь открывается, магнитная сила, воздействующая на датчик, ослабевает или пропадает, а в микросхеме запускается генератор и светодиод гаснет. Резистор R1 предназначен для защиты преобразователя Холла от обратного пробоя напряжения. Датчик Холла нашел свое применение во многих областях и является незаменимым помощником для человека в быту. Именно благодаря ему существуют так называемые «умные» устройства.

chebo.pro

Датчик Холла — что это? Описание, принцип действия

Полное технически грамотное название – датчик положения на эффекте Холла.

Принцип действия этого устройства прост: помещая любой проводник с постоянным током в электромагнитное поле, в нём образуется разность потенциалов поперечного типа. Напряжение, наблюдаемое в этом проводнике, назвали в честь изобретателя – холловское.

В двигателях внутреннего сгорания датчик Холла нашёл большое применение. В распределителях зажигания на карбюраторных автомобилях он подавал сигнал момента искрообразования. Затем, на более новых моделях двигателей, его начали ставить у распределительного и коленчатого валов, где он фиксировал угол положения.

Физическое явление образования на гранях пластины напряжения открыл физик Американского Балтиморского Университета Э. Холл в 1879 году. Он поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и к её узким граням подвёл ток. А на широких гранях появлялось напряжение (от десятков микровольт до многих сотен милливольт).

Широкое применение устройств, с использованием эффекта Холла, началось с 1955 года. Именно в это время начали массово производиться полупроводниковые плёнки.

В семидесятых годах прошлого века начала бурно развиваться микроэлектроника. Датчик приобрёл миниатюрную форму, в котором помещался чувствительный элемент, магнит и микросхема. У него появилось три преимущества: минимизация; не изменяется момент измерения при изменении оборотов двигателя; при повороте ключа в выключателе зажигания электрический сигнал имеет определённую и стабильную величину, а не всплескообразную. Это положительный нюанс при работе в электрической сети автомобиля.

Недостатки датчика

Но у датчика Холла есть недостатки. На нём сильно сказываются электромагнитные помехи цепи питания. Также он менее надёжен магнитоэлектрического датчика и дороже его в производстве.

Работает датчик очень просто. Металлическая пластина (у бегунка или штифты распределительного и коленчатого вала) проходит через зазор датчика, шунтируется магнитный поток. На микросхеме индуктивность нулевая. Выходя из датчика, сигнал имеет большую степень и равен запитывающему напряжению.

Техническое состояние датчика Холла никогда нельзя проверять контрольной лампой. Используйте осциллограф, если он снят с автомобиля, или мультиметр – непосредственно на двигателе. При проверке отсоедините колодку с проводами, соединяющую датчик с цепью. Ключ выключателя зажигания должен быть вынут.

  • < Назад
  • Вперёд >

autosteam.ru

Датчик холла принцип работы и какова его роль в системе зажигания?

На блоге мы уже рассматривали различные системы зажигания, в частности, бесконтактных, у которых механический прерыватель в трамблёре заменён хитрым датчиком. О нём и поговорим, о датчике Холла, так его называют. Датчик Холла принцип работы его заключается в том, что он дает отсечку в нужной точке для поджига рабочей смеси в цилиндре, но давайте по порядку.

[contents]

Датчик Холла принцип работы

Как мы видим, наш сегодняшний герой выполняет крайне ответственное задание в системе зажигания, но пока что он остаётся для нас тёмной лошадкой. Исправим данный недостаток. Итак, датчик холла что это и как работает?

Для начала немного истории. Своё название это устройство получило благодаря одному из сотрудников балтиморского университета Э. Холла, который в конце ХIХ века открыл эффект возникновения напряжения на краях полупроводниковой пластины при изменении магнитного поля, в котором она находится.

Другими словами, если специальную пластинку поместить в место, где будет периодически проскакивать магнит или что-либо, что может изменить имеющееся магнитное поле, к примеру, металлический предмет, то на её краях будут появляться импульсы напряжения, а они в свою очередь могут использоваться электроникой в качестве сигналов к действию.

Одно из ключевых преимуществ подобных датчиков – отсутствие каких-либо механически контактирующих элементов, а это значит, что нет износа и, как следствие, продолжительный срок безотказной работы узла.

Надо отметить, что эффект Холла стал массово использоваться в промышленности лишь во второй половине ХХ века, когда полупроводниковые материалы стали доступными.

Своё место датчики Холла нашли и в автомобилях, а если точнее – в двигателях, где их полезные свойства пригодились в системах зажигания.

Устанавливается такое устройство в корпус трамблёра. Внутри него, как мы уже знаем, имеется вал, именуемый в литературе валом прерывателя-распределителя.

В определённом месте на этом валу закреплена магнитопроводящая пластина, имеющая столько сердечников, сколько и цилиндров в силовом агрегате.

Вращаясь синхронно с распредвалом и коленвалом, она в момент прохождения одного из сердечников мимо датчика, возбуждает в нём импульс электрического напряжения, который затем поступает в коммутатор системы зажигания, где используется для управления работой катушки зажигания. Этот импульс является отправной точкой для генерации искры свечи.

Система зажигания сгенерирует искру именно в тот момент, когда необходимо поджечь топливно-воздушную смесь – ни на мгновение раньше, ни на мгновение позже, иначе мотор просто-напросто не сможет нормально работать. Такой вот нехитрый алгоритм.

Как проверить датчик Холла?

Как и любой другой электронный элемент, наш герой тоже может выходить из строя, и узнать об этом мы можем по плохой работе двигателя авто, а именно:

  • мотор сложно завести или он вообще отказывается стартовать;
  • на холостом ходу заметны перебои или просадки оборотов;
  • при движении машина внезапно глохнет;
  • на высоких оборотах авто начинает дёргать.

Конечно же, не факт, что эти симптомы связаны именно с датчиком Холла, но, тем не менее, проверить его нужно. Сделать это можно своими силами.

  1. Попросите у друзей или где-нибудь на время проверки, переставьте и убедитесь в том, является ли причиной ваших бед именно датчик Холла;
  2. Просто замерьте напряжение на выходе, оно должно быть в точке разрыва 0,4 В, а в точке прохода пластины — 11В.;
  3. Разобрать трамблер, провод высокого напряжения с надсвечником и свечей положите на корпус автомобиля с гарантией контакта на минус. Включите зажигание и замкните контакты 6 и 3 на панели коммутатора. Если искра на контактах свечи зажигания появится, то ваш датчик вышел из строя.

https://www.youtube.com/watch?v=loxwayrjpVM

Но все-таки наиболее простой и примитивный способ – замена датчика на заведомо исправный. На видео ниже, видно как это просто.

Все-таки проверка требует квалифицированного подхода, если вы им не обладаете, не стоит экспериментировать. Надежно и с гарантией успеха лучше обратиться к специалистам и сделать все как положено.

Пожалуй, вот так кратко, датчик Холла принцип работы и его значение вам понятны. Надеюсь, вы почерпнули минимальные полезные знания из этой статьи.

На этом разрешите откланяться и напомнить, читайте свежие и интересные публикации, появляющиеся на блоге, поможет подписка. До скорых встреч!

auto-ru.ru

Пять основных областей применения датчиков Холла

Автор: Морин ВанДайк |

Более 100 лет назад был обнаружен эффект Холла. Однако практическое использование этого эффекта было разработано только в течение последних трех десятилетий. Некоторые из его первых применений включают использование в микроволновых датчиках в 1950-х годах и твердотельных клавиатурах в 1960-х. С 1970-х годов устройства измерения эффекта Холла нашли свое применение в широком спектре промышленных и потребительских товаров, таких как швейные машины, автомобили, обрабатывающие инструменты, медицинское оборудование и компьютеры.

Прежде чем исследовать пять основных промышленных применений датчиков Холла, необходимо определить их, их функции и различные классификации.

Что такое датчик на эффекте Холла?

Датчики на эффекте Холла

— это магнитные компоненты, которые преобразуют закодированную в магнитном поле информацию, такую ​​как положение, расстояние и скорость, чтобы электронные схемы могли ее обработать. Как правило, они классифицируются по способу выпуска продукции или средствам работы.

Классификация выходных сигналов

Разделение датчиков на эффекте Холла по выходному напряжению приводит к двум классификациям датчиков: цифровые датчики и аналоговые датчики.

Датчики Холла с цифровым выходом

Цифровой выход Датчики на эффекте Холла в основном используются в магнитных переключателях для обеспечения цифрового выхода напряжения. Таким образом, они подают в систему входной сигнал ВКЛ или ВЫКЛ.

Основным отличием датчика Холла с цифровым выходом является возможность управления выходным напряжением.Вместо источника питания, обеспечивающего пределы насыщения, цифровые выходные датчики имеют триггер Шмидта со встроенным гистерезисом, подключенный к операционному усилителю. Этот переключатель отключает выход датчика, когда магнитный поток превышает заданные пределы, и снова включает его, когда магнитный поток стабилизируется.

Датчики Холла с аналоговым (или линейным) выходом

Датчик аналогового типа обеспечивает постоянное выходное напряжение, которое увеличивается, когда магнитное поле сильнее, и уменьшается, когда оно слабее. Таким образом, выходное напряжение или усиление аналогового датчика на эффекте Холла прямо пропорционально интенсивности проходящего через него магнитного потока.

Классификация операций

В дополнение к их классификации по мощности датчики на эффекте Холла можно разделить на категории в зависимости от способа работы, в том числе:

Биполярные датчики на эффекте Холла

Это тип цифрового датчика, который работает как с положительным, так и с отрицательным магнитным полем. Датчик активируется как положительным, так и отрицательным магнитным полем магнита. В этой конфигурации переключатель, использующий биполярный датчик на эффекте Холла, срабатывает почти так же, как и традиционный геркон.Однако переключатель на эффекте Холла имеет дополнительное преимущество, заключающееся в отсутствии механических контактов, что делает его более долговечным в суровых условиях.

Униполярные датчики на эффекте Холла

В отличие от биполярного датчика, этот тип цифрового датчика активируется только одним полюсом (северным или южным) магнита. Использование униполярного датчика на эффекте Холла в переключателе позволяет сделать его более точным и активировать его только при воздействии определенного магнитного полюса.

Датчики на эффекте Холла для прямого и вертикального углов

Более совершенные датчики на эффекте Холла фокусируются не на полюсах, а на других компонентах магнитного поля.Например, датчики прямого угла измеряют измерения синуса и косинуса магнитного поля, в то время как датчики вертикального угла анализируют компоненты магнитного поля, которые параллельны, а не перпендикулярны плоскости чипа.

Пять основных областей применения датчиков Холла

Датчики на эффекте Холла

находят применение в широком спектре приложений в пяти основных отраслях промышленности, а именно:

Автомобильная и автомобильная безопасность

В автомобилестроении и автомобильной индустрии безопасности используются как цифровые, так и аналоговые датчики на эффекте Холла в различных областях.

Примеры применения цифровых датчиков Холла в автомобильной промышленности:

  • Датчик положения сиденья и ремня безопасности для управления подушкой безопасности
  • Определение углового положения коленчатого вала для регулировки угла зажигания свечей зажигания

Некоторые примеры использования датчиков аналогового типа включают:

  • Мониторинг и контроль скорости вращения колес в антиблокировочной тормозной системе (ABS)
  • Регулирующее напряжение в электрических системах

Приборы и товары народного потребления

Промышленность бытовой техники и товаров народного потребления интегрирует различные типы датчиков Холла в различные конструкции изделий.Например:

  • Цифровые униполярные датчики помогают стиральным машинам сохранять равновесие во время стирки.
  • Аналоговые датчики служат датчиками доступности источников питания, индикаторами управления двигателем и отключениями электроинструментов, а также датчиками подачи бумаги в копировальных аппаратах.

Контроль жидкости

Цифровые датчики на эффекте Холла

обычно используются для контроля расхода и положения клапана при производстве, водоснабжении и очистке, а также в технологических процессах в нефтегазовой отрасли.В приложениях для мониторинга жидкости аналоговые датчики на эффекте Холла также используются для определения уровней давления на диафрагме в манометрах с диафрагмой.

Автоматизация зданий

При автоматизации зданий подрядчики и субподрядчики интегрируют как цифровые, так и аналоговые датчики Холла.

Цифровые датчики приближения часто используются в конструкциях:

  • Механизм автоматического слива унитаза
  • Автоматические мойки
  • Сушилки для рук
  • Системы безопасности зданий и дверей
  • Лифты

Аналоговые датчики используются для:

  • Освещение с датчиком движения
  • Камеры с датчиком движения

Персональная электроника

Это еще одна область, в которой продолжают расти популярность как аналоговых, так и цифровых датчиков Холла.

Приложения для цифровых датчиков включают:

  • Устройства управления двигателями
  • Таймеры в фотоаппаратуре

Приложения для аналоговых датчиков включают:

  • Дисководы
  • Устройства защиты источника питания

Свяжитесь с MagneLink сегодня

Как указано выше, датчики на эффекте Холла — как аналоговые, так и цифровые — находят применение в широком спектре устройств, оборудования и систем в различных отраслях промышленности.

В MagneLink мы разрабатываем и производим высококачественные магнитные переключатели, в том числе переключатели, в которых используются датчики на эффекте Холла. Чтобы узнать больше о наших переключателях Холла и их применении, свяжитесь с нами сегодня.


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, тянутся в одну сторону, создавая разность потенциалов в заряде (т. Е. Напряжении). 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 если магнит удален.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.

Причина и следствие

: Поиск и устранение неисправностей датчиков Холла

Лампа из китового масла освещала место над кухонным столом, где Эдвин работал над тонкой прямоугольной полосой из золотой фольги. Он мог видеть свое отражение в полосе, и его мысли на мгновение заблудились, когда он подумал о том, каким усталым он выглядел.Было уже очень поздно, но Эдвин задумал что-то новое, что-то очень новое. Эдвин Холл работал над теорией электронного потока Кельвина, которая была представлена ​​около 30 лет назад в 1849 году. Во время работы он случайно заметил, что если ток течет через золотую полоску, а магнитное поле помещается перпендикулярно одной стороне полосы, на ее краях была обнаружена разность электрических потенциалов. Это открытие было приписано доктору Эдвину Холлу, и теперь оно называется эффектом Холла.

Как и многие другие открытия, блестящее наблюдение доктора Холла пришло не в результате его поиска, а в результате наблюдения чего-то необычного и последующего воздействия на него. Эффект Холла известен уже более 100 лет, но приложения для его использования не были разработаны до последних нескольких десятилетий. Автомобильная промышленность применила эту технологию ко многим системам, используемым в современных транспортных средствах, включая трансмиссию, систему контроля кузова, противобуксовочную систему и антиблокировочную тормозную систему. Чтобы охватить эти различные системы, датчик Холла конфигурируется несколькими способами / переключением, аналоговым и цифровым.Это датчики приближения; они не имеют прямого контакта, но используют магнитное поле для активации электронной схемы.

Эффект Холла может быть получен с помощью таких проводников, как металлы и полупроводники, и качество эффекта меняется в зависимости от материала проводника. Материал будет напрямую влиять на протекающие через него электроны или положительные ионы. В автомобильной промышленности обычно используются три типа полупроводников для изготовления элемента Холла / арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs).Самый распространенный из этих полупроводников — арсенид индия. Как и в эксперименте доктора Холла, важно, чтобы проводник был прямоугольным и очень тонким. Это позволяет протекающим через него носителям разделяться и объединяться по краям.

Теперь давайте посмотрим на принцип эффекта Холла (рис. 1 и 2 выше). Если ток течет по проводнику и магнитному полю (магнитному потоку) позволяют перемещаться по проводнику перпендикулярно потоку тока, заряженные частицы дрейфуют к краям прямоугольной полосы.Эти заряженные частицы собираются на краях поверхности. Магнитный поток передает силу на проводник, которая заставляет напряжение (положительную силу) дрейфовать к одному краю, в то время как электроны (отрицательная сила) дрейфуют к противоположному краю. Сила, действующая на текущий поток, называется силой Лоренца.

Пока к проводнику прикладывается магнитная сила, носители остаются на противоположных сторонах, создавая падение напряжения на проводнике. Этот перепад напряжения и есть напряжение Холла. Он пропорционален току, протекающему через него, напряженности магнитного поля и типу материала проводника.Если любая из этих трех переменных изменится, разность напряжений на проводнике также изменится. Вот почему элемент Холла должен иметь регулируемое напряжение, подаваемое на путь тока. Если ток регулируется и материал проводника задан, остается изменить только магнитную напряженность. Когда магнитная напряженность изменяется до угла 90 ° по отношению к пути тока, падение напряжения на проводнике также изменяется. Чем сильнее магнитный поток, тем больше падение напряжения на проводнике.

Генерируемое напряжение Холла является аналоговым сигналом. Этот сигнал Холла очень мал / обычно около 30 микровольт при магнитном поле 1 гаусс. Из-за небольшого генерируемого напряжения сигнал Холла должен быть усилен, если устройство будет использоваться в практических целях.

Тип усилителя, который лучше всего подходит для использования с элементом Холла, — это дифференциальный усилитель (рис. 3 на стр. 56), который усиливает только разность потенциалов между положительным и отрицательным входами.Если нет разницы напряжений между положительным и отрицательным входами усилителя, выходное напряжение усилителя не будет. Однако при наличии разности напряжений эта разница будет иметь линейное усиление. Величина усиления определяется дифференциальным усилителем, используемым в схеме.

Элемент Холла подключается непосредственно к дифференциальному усилителю, поэтому активность элемента Холла отражается усилителем. Когда магнитное поле отсутствует в элементе Холла, не создается напряжение Холла и отсутствует выходное напряжение из усилителя.Когда к элементу Холла прикладывается магнитное поле, на элементе создается напряжение Холла. Дифференциальный усилитель обнаруживает этот перепад напряжения и усиливает его.

Способ использования датчика Холла определяет изменения схемы, необходимые для обеспечения правильного вывода на устройство управления. Этот выходной сигнал может быть аналоговым, например датчик положения ускорения или датчик положения дроссельной заслонки, или цифровым, например датчик положения коленчатого или распределительного вала.

Давайте рассмотрим эти различные конфигурации датчика Холла.Когда элемент Холла должен использоваться для аналогового датчика, который может использоваться для шкалы температуры в системе климат-контроля или датчика положения дроссельной заслонки в системе управления трансмиссией, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а усилитель — к транзистору NPN (рис. 4). Магнит прикреплен к вращающемуся валу. Когда вал вращается, магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла пропорционально напряженности магнитного поля.

Если бы вал дроссельной заслонки контролировался PCM, магнит вращался бы вместе с валом дроссельной заслонки. На холостом ходу дроссельная заслонка была закрыта. В этом случае напряженность магнитного поля будет низкой, а создаваемое напряжение Холла будет низким. Дифференциальный усилитель будет иметь небольшую разность потенциалов, а выход усилителя будет низким. База транзистора NPN будет получать выходной сигнал усилителя.

Поскольку напряжение на базе низкое, усиление транзистора NPN также низкое.В этом состоянии выходное напряжение TPS будет порядка 1 вольт. Когда двигатель находится под нагрузкой, вал дроссельной заслонки вращается, открывая дроссельную заслонку. При вращении вала дроссельной заслонки магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла увеличивается пропорционально напряженности магнитного поля. По мере увеличения напряжения Холла дифференциальный усилитель получает свою разность потенциалов. Затем усилитель усиливает разницу между отрицательным и положительным входами.Этот возрастающий выходной сигнал отправляется на базу NPN-транзистора, который затем усиливает сигнал, создавая выходной сигнал датчика положения дроссельной заслонки. Этот линейный выход пропорционален вращению вала дроссельной заслонки.

Выходные данные TPS отправляются в PCM, где он сообщает об угле вала дроссельной заслонки. Микропроцессор PCM не может напрямую считывать аналоговое напряжение, отправляемое с TPS. Этот сигнал должен быть преобразован в двоичный формат — единицы и нули. Для этого используется устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем.В большинстве случаев используется 8-битный аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует уровень напряжения в последовательность единиц и нулей, которые микропроцессор может декодировать и использовать для определения фактического угла вала дроссельной заслонки.

Когда элемент Холла должен использоваться для цифрового сигнала, например, в датчике положения коленчатого или распределительного вала или датчике скорости транспортного средства, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, который подключен к триггеру Шмитта. В этой конфигурации датчик выдает цифровой сигнал включения / выключения.В большинстве автомобильных цепей датчик Холла является поглотителем тока или заземляет сигнальную цепь. Для этого к выходу триггера Шмитта подключается NPN-транзистор (рис. 5). Магнит расположен напротив элемента Холла. Спусковое колесо, или цель, расположено так, чтобы затвор мог находиться между магнитным полем и элементом Холла.

Когда затвор не находится между магнитом и элементом Холла, магнитное поле проникает через элемент Холла, создавая напряжение Холла.Это напряжение подается на положительный и отрицательный входы дифференциального усилителя. Усилитель повышает это дифференциальное напряжение и отправляет его на вход триггера Шмитта (цифрового пускового устройства). Когда напряжение от дифференциального усилителя увеличивается, оно достигает порога включения или рабочей точки. В этой точке срабатывания триггер Шмитта меняет свое состояние, позволяя отправить сигнал напряжения.

Точка срабатывания (отключения) установлена ​​на более низкое напряжение, чем точка включения.Целью этой разницы между точками включения и выключения (гистерезис) является устранение ложного срабатывания, которое может быть вызвано незначительными отклонениями от дифференциального усилителя. Триггер Шмитта включается, и выходное напряжение отправляется на базу NPN-транзистора. Когда на базе транзистора присутствует напряжение, транзистор включается.

Регулятор напряжения блока управления подает напряжение на резистор или нагрузку. Схема резистора подключена к коллектору транзистора NPN, и когда NPN включен, ток течет в коллектор и выходит из эмиттера на землю.В этом состоянии сигнал заземлен. Поскольку резистор находится внутри блока управления, напряжение находится на плече заземления и будет падать очень близко к напряжению заземления.

При вращении спускового колеса затвор перемещается между магнитом и элементом Холла. Поскольку спусковое колесо сделано из железа, оно притягивает магнитное поле к затвору. В этот момент элемент Холла больше не имеет магнитного поля, проникающего через него, и напряжение Холла не создается. Без напряжения Холла дифференциальный усилитель не имеет выхода на триггер Шмитта.В свою очередь, триггер Шмитта не имеет выхода напряжения на базу NPN-транзистора, и транзистор изменяет состояние и закрывается. Затем земля снимается с груза. Это создает разрыв цепи. В разомкнутой цепи присутствует напряжение источника. Если бы регулятор напряжения был источником 5 вольт, то напряжение в разомкнутой цепи было бы 5 вольт. При вращении заслонка выдвигается между магнитом и элементом Холла. Включается цепь, замыкающая заземляющую ногу от нагрузки.Таким образом, напряжение сигнала падает очень близко к земле. Этот цикл повторяется для создания цифрового сигнала от датчика Холла с экранированным полем.

Зубчатый датчик Холла (рис. 6) — это еще один тип цифровых датчиков включения / выключения. Подмагничивающий магнит размещен над элементом Холла. В этом датчике магнитное поле всегда проникает через элемент Холла, и всегда присутствует напряжение Холла. Когда зуб шестерни или цель проходит под элементом Холла, магнитное поле в элементе усиливается.По мере усиления магнитного поля напряжение Холла увеличивается. Это напряжение отправляется в схему, которая сравнивает выходное напряжение холла без зубцов с выходным напряжением холла.

Для срабатывания этого датчика цель должна пройти мимо элемента Холла. В положении без зубцов конденсатор заряжается для хранения незубчатого напряжения Холла, чтобы его можно было сравнить с зубчатым напряжением Холла. По мере приближения передней кромки зуба к датчику напряжение Холла увеличивается до заданной точки срабатывания.В этот момент компаратор отправляет сигнал в схему триггера. Триггер подает сигнал напряжения на NPN-транзистор и включает его. Транзистор NPN подключен к цепи резистора в блоке управления.

Одна сторона резистора подключена к регулятору напряжения, другая сторона — к коллектору NPN-транзистора. Когда транзистор меняет состояние и включается, сигнальное напряжение сбрасывается на землю. Когда цель вращается и задняя кромка зубца проходит через датчик Холла, напряжение падает ниже заданной точки срабатывания, и компаратор подает напряжение на цепь запуска и выключает транзистор NPN.Затем транзистор меняет состояние и размыкает цепь. Теперь в сигнальной цепи присутствует напряжение источника. Если регулятор представляет собой источник 5 В, напряжение сигнала теперь составляет 5 В. Когда зуб проходит под датчиком Холла, цепь активируется и тянет этот 5-вольтовый сигнал на землю. Этот цикл повторяется для создания цифрового выходного сигнала датчика Холла с зубчатым колесом.

Для поиска неисправностей в этих цепях (см. Рис. 7 и 8) необходимо измерить падение напряжения на питании, заземлении и сигнале.Если сигнал правильный на низком и высоком выходах, питание и заземление также будут в норме. Если источником питания является аккумуляторное напряжение, регулятор напряжения находится внутри датчика Холла. Если питание подается от электронного модуля, регулятор напряжения находится в этом модуле. Если источник питания падает из-за падения напряжения (сопротивления) или из-за проблемы регулятора, выходной сигнал также упадет. Если напряжение питания увеличится, выходной сигнал также увеличится. Если напряжение земли увеличивается из-за падения напряжения (сопротивления), выходной сигнал также увеличивается.

С аналоговым датчиком Холла, если есть падение напряжения или разрыв цепи между датчиком Холла и модулем управления, напряжение сигнала будет правильным на датчике, но неправильным на модуле. Если напряжение на модуле правильное, а напряжение на диагностическом приборе неправильное, значит, проблема в аналого-цифровом преобразователе внутри блока управления. Перед заменой блока всегда проверяйте питание, массу и сигналы на модуле управления.

Осциллограф необходим для поиска и устранения неисправностей цифрового датчика.Следующие рекомендации помогут в постановке диагноза:

• С цифровым датчиком на эффекте Холла, если сигнал на датчике высокий, прерывистый или полностью отсутствует, цепь от модуля управления исправна.
• Различные блоки управления используют разные уровни напряжения сигнала; Обычны 5, 8, 9 и 12 вольт. Этот уровень напряжения сигнала должен быть в пределах 10% от целевого напряжения, иначе блок управления не обнаружит изменение состояния напряжения.
• Если сигнал низкий, прерывистый или полностью неработающий, регулятор напряжения или цепь в блоке управления могут быть неисправны, сигнальный провод может быть разомкнут или заземлен, или датчик эффекта Холла может быть неисправен и тянет сигнал на землю.
• Если уровень напряжения заземления датчика не находится в пределах 10% от напряжения заземления автомобиля, блок управления не обнаружит изменение состояния сигнала.
• Если напряжение остается высоким или низким, убедитесь, что цель движется.
• При выходе из строя нескольких датчиков Холла убедитесь, что цель не попадает в один из них.
• Когда сигнальный провод Холла закорочен или периодически или постоянно закорочен на источник питания, он сгорает в электронных схемах внутри датчика Холла и обычно приводит к замыканию сигнала на землю.Датчик Холла рассчитан на ток 20 миллиампер или меньше. Резистор расположен в сигнальной цепи, поэтому он может ограничивать ток, протекающий через эту цепь. Если сопротивление этого резистора снизится, ток увеличится, что приведет к многочисленным отказам датчика Холла.

Существует множество конфигураций датчиков Холла. Все эти устройства работают по одним и тем же основным принципам, описанным здесь. Когда вы работаете в отсеке для обслуживания, позвольте своему блеску сиять, как у доктора Эдвина Холла.Обратите внимание на то, что необычно, и действуйте в соответствии с этим.

Скачать PDF

датчики Холла (магнитные)

Что заставляет это работать?
слов, чтобы произвести впечатление на вашего босса

,

2Dex
В РАЗРАБОТКЕ
InAs — стабильный InAs — чувствительный GaAs
Тонкопленочная технология с использованием структуры двумерного электронного газа (2DEG) Объемный материал арсенида индия, легированный для обеспечения высокой стабильности Объемный материал из арсенида индия, легированный для высокой чувствительности Тонкая пленка из арсенида галлия
Температурный диапазон
Преимущество датчиков Холла без кремния заключается в возможности их использования при более экстремальных температурах
от 1 K до 402 K
(от -272 ° C до 125 ° C)
1.От 5 K до 375 K
(от -271,5 ° C до 102 ° C)
от 208 K до 373 K
(от -65 ° C до 100 ° C)
от 233 K до 402 K
(от -40 ° C до 125 ° C)
Взаимозаменяемость
Возможность работы с несколькими датчиками с одинаковыми приводами и измерительными установками
Хорошо — узкий диапазон значений чувствительности, отличная линейность и малое напряжение смещения Плохое — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания среднего значения чувствительности Плохо — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания средней чувствительности значение Плохо — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания среднего значения чувствительности
Прочность
Способность выдерживать удары и вибрацию
Хорошо Плохо Плохо Хорошо
Совместимость прибора Lake Shore
Совместимость гауссметра / тесламетра для этих датчиков, что позволяет автоматически отображать значения поля прибором
Тесламетр F71 или F41 с датчиками plug-and-play — полный
калибровка датчика и температурная компенсация, обеспечивающие точность, эквивалентную полному тесламетру зонда
425 или 475 гауссметра с использованием кабеля HMCBL; преобразование поля выполняется только с одним значением чувствительности, то есть линейность и температурная компенсация не выполняется гауссметром, 425 или 475 гауссметром с использованием кабеля HMCBL; преобразование поля выполняется только с одним значением чувствительности, что означает, что линейность и температурная компенсация не выполняется гауссметром. -плоскость с чувствительным элементом Нет, что делает эти датчики идеальными для измерения полей с неизвестной ориентацией. Существенный — объемный материал производит достаточно плоского эффекта Холла, поэтому для точных измерений требуются поля с известными направлениями. Существенный — объемный материал создает достаточный планарный эффект Холла. что для точных измерений требуются поля с известными направлениями Некоторые тонкопленочные элементы могут демонстрировать небольшие плоские погрешности эффекта Холла
Чувствительность при номинальном токе
Влияет на точность измерения и разрешение — чем больше число, тем лучше

Ожидаемое значение от 50 до 53 мВ / Т 5.От 5 до 11 мВ / T от 55 до 125 мВ / T от 110 до 280 мВ / T
Температурный коэффициент чувствительности
Влияет на точность при больших изменениях температуры
200 ppm / ° C ожидаемый 50 ppm / ° C 800 ppm / ° C 600 ppm / ° C
Номинальный ток привода
Рекомендуемый уровень возбуждения для этих датчиков
1 мА 100 мА 100 мА 1 мА
Типичное входное сопротивление
Полезно при выборе схемы управления
800 Ом 2 Ом 2 Ом 750 Ом
Типичный температурный коэффициент входного сопротивления
Дополнительный источник погрешности измерения при использовании источника напряжения (а не источника тока) для питания датчика
0.7% / ° C ожидаемое 0,15% / ° C 0,18% / ° C 0,2% / ° C
Лучшее напряжение смещения (эквивалент поля)
Компонент ошибки, имеющий большее влияние на небольшие поля
Подлежит определению ± 50 мкВ (4,5 мТл) ± 75 мкВ (0,6 мТл) ± 2,8 мВ (10 мТл)

Всесторонний обзор интегрированных эффектов Холла в макро-, микро-, Наноразмеры и квантовые устройства

Abstract

Настоящим представлен всесторонний обзор основных существующих устройств, основанный на классических и новых связанных эффектах Холла.Обзор разделен на подкатегории, в которых представлены существующие макро-, микро-, наноразмерные и квантовые компоненты и приложения для схем. Поскольку устройства на основе эффекта Холла используют ток и магнитное поле в качестве входа и напряжение в качестве выхода. Исследователи и инженеры десятилетиями стремились воспользоваться преимуществами и интегрировать эти устройства в крошечные схемы, стремясь реализовать новые функции, такие как высокоскоростные переключатели, в частности, в наноразмерной технологии. Этот обзорный документ представляет собой не только исторический обзор прошлых усилий, но и остающихся проблем, которые необходимо преодолеть.В рамках этих испытаний можно упомянуть сложную конструкцию, изготовление и определение характеристик интеллектуальных наноразмерных устройств, таких как датчики и усилители, для следующих поколений схем и модулей в нанотехнологиях. По сравнению с предыдущими учебниками по предметной области, специализированными техническими руководствами и специализированными научными обзорами, опубликованными несколько десятилетий назад, в этом современном обзорном документе представлены важные преимущества и новинки: широкий охват всех областей и приложений, четкая ориентация на наноразмерные размеры, расширенная библиография из почти ста пятидесяти недавних ссылок, обзор избранных аналитических моделей, сводные таблицы и схемы явлений.Кроме того, обзор включает в себя исследование интегрированного эффекта Холла по подклассам субъектов. Среди прочего, представлены следующие подобзоры: основные существующие макро / микро / наноразмерные устройства, материалы и элементы, используемые для изготовления, аналитические модели, дополнительные числовые модели и инструменты, используемые для моделирования, а также технологические проблемы, которые необходимо преодолеть для реализации эффект в нанотехнологиях. Такой современный обзор может послужить научному сообществу основой для новых исследований, ориентированных на новые рынки наноразмерных устройств, модулей и комплектов для разработки процессов (PDK).

Ключевые слова: эффект Холла, наноразмер, микромасштаб, макромасштаб, квантовые устройства, датчики, усилители, моделирование, симуляция, обзор

1. Введение

1.1. Эффекты Холла — краткая история и эволюция

Эффект Холла — хорошо известный и установленный феномен, поскольку он был открыт Эдвином Гербертом Холлом (1855–1938) в 1879 году [1,2], когда он был аспирантом под руководством Генри Роуленда (1848–1901) на физическом факультете Университета Джонса Хопкинса.Спустя сто лет, 13 ноября 1979 г., в Университете Джонса Хопкинса состоялся симпозиум, посвященный 100-летию открытия и представивший обновленный статус последних достижений [3]. Следовательно, была опубликована процедура обзора для обобщения существующих приложений и компонентов того времени [4]. Хотя это было статусом макромасштаба в восьмидесятые годы, хороший прогресс был достигнут в следующие десятилетия, когда были обнаружены дополнительные связанные эффекты Холла, открывшие новые возможности.Фактически, можно заметить, что существует не один уникальный эффект Холла, согласно базовым знаниям, а серия связанных с Холлом явлений, различающихся размерами и контекстом, в котором они анализируются.

Эффект Холла, также называемый первоначальным или обычным эффектом Холла (OHE), можно использовать для различения токов, состоящих из положительно заряженных частиц, от токов, состоящих из отрицательно заряженных частиц, как подчеркивал Лоренц [5]. В 1880 и 1881 годах Аномальный эффект Холла (АЭХ) [6] наблюдал на ферромагнетиках сам Холл [7,8].Если эти эффекты были первоначально обнаружены и применены на макромасштабном уровне, то другие эффекты, связанные с Холлом, проявились на микромасштабном уровне с годами. Действительно, сто лет спустя, в 1971 году, было сообщено о спин-эффекте Холла, а в 1980 году — о целочисленном квантовом эффекте Холла (QHE) [9,10]. Совсем недавно был обнаружен и понят квантовый спиновый эффект Холла (QSHE) [ 11,12] в 2007 году и квантовый аномальный эффект Холла (QAHE) [13,14,15,16] в 2013 году. Предыдущие ссылки были сосредоточены только на наблюдаемых физических явлениях, но не на возможных приложениях, а в в частности о потенциальных устройствах, которые могут быть спроектированы с использованием таких явлений.представляет собой схематическую временную шкалу десяти основных обнаруженных эффектов Холла. Если между открытием оригинальных эффектов Холла (OHE и AHE) и квантовыми эффектами (в основном SHE и QHE) проходит почти столетие, то между открытием более сложных явлений (QSHE и QAHE) более короткие временные рамки — тридцать лет. .

Схематическая временная диаграмма основных наблюдаемых эффектов Холла. OHE — оригинальный эффект Холла; AHE — аномальный эффект Холла; SHE — спиновый эффект Холла; IQHE — целочисленный квантовый эффект Холла; FQHE — дробный квантовый эффект Холла; ISHE — обратный спиновый эффект Холла; QSHE — квантовый спиновый эффект Холла; QAHE — квантовый аномальный эффект Холла; PHE — плоский эффект Холла; VHE — эффект Холла долины; PIHE — фотоиндуцированный эффект Холла.

1.2. Интеграция эффекта Холла на уровнях проектирования: комплекты для разработки устройств, схем и процессов

Переходя от теоретической физики к прикладной физике или от изучения явлений к конкретным приложениям устройств, кажется, что со временем идея использования и перемещения эффекта Холла от макро до микро и наномасштабов привлекли внимание различных исследовательских инициатив. Несколько типов устройств, использующих эффект Холла, были тщательно изучены за последние шесть десятилетий. Вот почему, в дополнение к классическим учебникам [17], в основном опубликованным несколько десятилетий назад и в основном посвященным физике OHE, в начале двадцать первого века появилась серия новых книг, на этот раз посвященных физике QHE [18 , 19,20,21,22,23,24,25,26] и QSHE [27].Имея в виду сложные попытки интегрировать явление эффекта Холла в устройства, схемы и комплекты разработки процессов (PDK), было подготовлено несколько хорошо структурированных книг [28,29,30], промышленных руководств [31] и обзорных статей [32]. были опубликованы на протяжении многих лет, включая теоретическое описание десятков интересных и возможных приложений. В 1990-х годах были выполнены частичные обзоры в конкретных областях, таких как исследование эффекта Холла и измерений магнитосопротивления в материалах и устройствах на основе GaAs [33].Опять же, большинство этих важных анализов были опубликованы несколько десятилетий назад и были специализированными и ограничивались конкретными областями. Более того, некоторые из представленных устройств и систем в настоящее время устарели, поскольку в значительной степени заменены решениями цифровой электроники. Именно в этом контексте актуальный обзор, охватывающий все области и ориентированный на эру нанотехнологий, более чем необходим.

Изучив предыдущие публикации, можно понять, насколько полезным может быть эффект Холла, когда он применяется в конкретных приложениях.В этих учебниках есть обширные списки специализированных устройств. Давайте рассмотрим два примера: В шестидесятые годы W. E. Bulman представил набор классических приложений и устройств в большом исследовании [34], причем в различных конфигурациях. Он разделил области применения на три части: измерение магнитных полей, управление магнитными полями и измерение мощности микроволнового излучения. В случае комбинированных зондов на эффекте Холла и дополнительных электромагнитов можно получить серию макроустройств. Среди прочего, можно найти изоляторы, гираторы, преобразователи, циркуляторы, фазовые детекторы, а также магнитометры и считывающие головки с магнитной ленты.Спустя несколько десятилетий, в 1990-х годах, компания Honeywell Corporate, которая все еще соответствовала макромасштабным размерам, представила специализированные устройства, применяемые для измерения параметров и приложений [31]. Среди прочего, в качестве ключевого игрока в деятельности по зондированию, они представили датчики на основе эффекта Холла для измерения физических параметров, таких как скорость потока, сила тока, температура, давление, скорость, угол, количество оборотов в минуту (об / мин), положение, Они предложили устройства для различных применений, связанных с гражданской жизнью, такие как датчик офисной машины, датчики считывателя магнитных карт, датчики блокировки дверей и датчики зажигания.Другие устройства были больше ориентированы на саму промышленность, такие как автомобильный датчик, датчик бесщеточного двигателя постоянного тока, датчик обнаружения поршня, датчики скорости, установленные на трансмиссии и т. Д. В течение многих лет занимаясь разработкой наноразмерных устройств, эти два примера укрепили меня в понимании того, как сегодня В эпоху нанотехнологий стало желательно разрабатывать устройства нанометрового уровня со встроенным эффектом Холла, как это было представлено на протяжении всего этого современного обзора. представляет собой схематический поток параллельного прогресса с разработкой устройств в макро-, микро- и наномасштабе, изображенной на временной оси открытий по Эффекту Холла.

Улучшенная временная диаграмма основных наблюдаемых эффектов, связанных с Холлом, по сравнению с интегрированными устройствами.

1.3. Устройства на основе эффекта Холла — почему?

У устройств на эффекте Холла есть несколько преимуществ. Высокая функциональность и производительность, адекватное / хорошее качество и надежность, широкий диапазон температур (от -40 до +150 ° C) и низкая стоимость — это только часть этих преимуществ. Более того, эффект Холла обеспечивает гальваническую развязку, то есть бесконтактное зондирование, что во многих отношениях имеет решающее значение.Несколько десятилетий назад был опубликован длинный список общих характеристик и желательных спецификаций для чувствительных устройств на основе эффекта Холла на макроуровне [31]. Сегодня микро- и наноразмеры позволяют использовать более продвинутые приложения. Даже простой повседневный акт выключения экрана смартфона путем закрытия его бумажника основан на датчике Холла. Из-за технического прогресса с течением времени изменилась и причина использования устройства на основе эффекта Холла. Например, обновленный и точный список преимуществ и недостатков, впервые опубликованный в 2012 году, был обновлен и представлен в 2019 году [35].Датчики на эффекте Холла (HES) обладают дополнительными важными преимуществами. С точки зрения качества и надежности износ таких устройств со временем обычно невелик. Кроме того, внешние условия, такие как вибрация, влажность или пыль, не влияют на долгосрочную работу. Среди недостатков — ограничение рабочего расстояния между датчиком и магнитом. Более того, поскольку HES использует принцип магнитного поля, можно ожидать, что внешние магнитные поля будут мешать измерению тока и смещать его.Температура может влиять на электрическое сопротивление элемента, подвижность носителей и, как следствие, на его чувствительность. Несмотря на эти недостатки, эффекты Холла представляют огромный интерес для отрасли.

2. Принципы семейства эффектов Холла — краткий качественный обзор

2.1. OHE — Оригинальный эффект Холла, 1879

Исходный эффект Холла представлен в файле. В состоянии равновесия разница напряжений, называемая напряжением Холла (HV), возникает, когда магнитное поле прикладывается к электрическому проводнику, пересекающему электрический ток.ВН становится максимальным, когда магнитное поле перпендикулярно току. Согласно a, когда свободные носители движутся вдоль направления тока Ix через проводник, лежащий в перпендикулярном магнитном поле Bz, на них будет влиять магнитная сила, которая заставит их двигаться в направлении Y и накапливаться в одном сторона проводника. Это разделение зарядов приводит к электрическому полю E Y и, следовательно, к разности потенциалов. Заряд накапливается до тех пор, пока электрическая сила, индуцированная электричеством, не уравновесит магнитную силу.Затем можно измерить установившееся напряжение Холла, которое пропорционально как электрическому току, так и магнитному полю, как показано в разделе 3.

Основные известные эффекты Холла и год их публикации. (а) Оригинальный эффект Холла (OHE) [1], 1879 г .; (б) Аномальный эффект Холла (АЭХ) [6], 1881 г .; (c) Спиновый эффект Холла (SHE) [41,42], 1971 г .; (г) квантовый эффект Холла (КЭХ) [9,10], 1980 г .; (e) Обратный спиновый эффект Холла (ISHE), 1984 [50, 62, 63]; (f) Квантовый спиновый эффект Холла (QSHE) [11,12], 2007 г .; g) квантовый аномальный эффект Холла (QAHE) [13,14,15,16], 2013 г .; (h) Фотоиндуцированный эффект Холла (PIHE), 2018 [58].

Магнитные поля постоянного тока традиционно используются для извлечения подвижности большей части свободных носителей из напряжения Холла, как описано в разделе 3 ниже. Однако ошибка измерения может появиться из-за несовпадения контактов, что приводит к паразитному напряжению, которое оказывается пропорциональным току, и удельному сопротивлению материала. Хотя этот вид напряжения смещения может быть уменьшен путем изменения направления тока и магнитного поля, более эффективно использовать переменное магнитное поле, особенно для материалов с низкой подвижностью (<1 см 2 / Вс).В этом случае подвижность может быть точно извлечена с помощью техники блокировки [36,37,38].

2.2. AHE — Аномальный эффект Холла, 1881

В 1881 году, через два года после открытия OHE, Холл сообщил, что в ферромагнитных проводниках этот эффект был в десять раз больше, чем в немагнитных. Этот новый эффект, названный «аномальным» эффектом Холла (AHE), представлен на b. Согласно Nagaosa et al. [6], оба открытия были замечательными, учитывая ограниченные в то время знания о том, как свободные носители перемещаются по проводникам.Первое открытие, OHE, предоставило элегантный инструмент для более точного измерения концентрации носителей в немагнитных проводниках и представило физику полупроводников и твердотельную электронику в конце 1940-х годов. В течение долгого времени AHE оставался загадочной проблемой для объяснения, поскольку он включает в себя концепции топологии и геометрии, которые были сформулированы только в последние десятилетия. Только после того, как был принят фазовый подход Берри [39], появилась возможность связать топологическую природу холловских токов с самим АЭХ.В наноразмерных системах, где априорные прямые измерения непросты и иногда невозможны, АЭХ может служить полезным зондом спиновой поляризации электронов [40].

2.3. SHE — Спиновый эффект Холла, 1971

Спиновый эффект Холла (SHE), представленный в c, представляет собой явление переноса спина, теоретически предсказанное Дьяконовым и Перелем в 1971 году [41,42]. Это вызывает рассеяние и накопление спинов противоположных знаков на противоположных боковых краях образца, индуцированное продольным током заряда.Поскольку SHE является чисто спиновым явлением, ток, переносимый образцом, будет генерировать поперечно поляризованный спиновый ток, но без чистого зарядного тока. Поскольку этот эффект не требует нарушения симметрии обращения времени (TR), он может происходить без какого-либо магнитного поля. Впервые СТЭ подтверждена экспериментально в 2004 г. на полупроводниках GaAs и InGaAs при 30 К [43].

2.4. IQHE — Целочисленный квантовый эффект Холла, 1980

Что касается квантового эффекта Холла, представленного в d, было бы разумнее назвать две части отдельно: целочисленный квантовый эффект Холла (IQHE) и дробный квантовый эффект Холла (FQHE). ).Обнаруженный примерно через 100 лет после первоначальной работы Холла и впервые опубликованный в 1980 году Фон Клитцингом [44], эффект IQHE наблюдался в двумерной электронной системе, расположенной на границе раздела Si / SiO 2 или полевом транзисторе (MOS- FET). Устройство, имеющее геометрию стержня Холла, помещено в сильное магнитное поле около 15 Тл при температуре жидкого гелия. Это важное исследовательское открытие принесло фон Клитцингу Нобелевскую премию по физике 1985 года и привело к принятию международно признанных правил калибровки сопротивления [45,46].IQHE получается путем изменения напряжения затвора таким образом, чтобы сопротивление Холла изменялось ступенчато на значения h / т.е. 2 (i — целое число), в то время как h — постоянная Планка, а e — заряд электрона. Шаг i указывает на заполнение уровня Ландау, соответствующего квантованной циклотронной орбите электрона в магнитном поле. Как ясно объяснил профессор Д. Тонг в своих недавних лекциях в Кембриджском университете [47], происхождение этих плато связано с примесями, создающими «беспорядок» и вызывающими расщепление, которое вырождает собственные состояния электронных волновых функций.Фактически, такое квантовое явление можно объяснить без рассмотрения взаимодействий между электронами, предполагая, что существуют квантовые состояния для отдельной частицы в магнитном поле. Совсем недавно, в 2007 году, сообщалось о целочисленном квантовом эффекте Холла в графене при комнатной температуре [48].

2,5. FQHE — Дробный квантовый эффект Холла, 1982

Дробный квантовый эффект Холла (FQHE) был впервые обнаружен и описан в 1982 году Tsui et al. [49] в двумерной гетероструктуре GaAlAs с высокой подвижностью электронов при температуре жидкого гелия.По сравнению с целочисленным квантовым эффектом Холла, дробный квантовый эффект Холла (FQHE) представляет дополнительные плато холловского сопротивления при дробных значениях i = 1/3, 2/3 и 3/2 в h / ie 2 выражение. Десять лет спустя, в 1998 году, Цуй вместе с Лафлином и Стромером получил Нобелевскую премию по физике за «открытие новой формы квантовой жидкости с частично заряженными возбуждениями». Действительно, в FQHE ожидается, что электроны будут связываться вместе с линиями магнитного потока и образовывать новые квазичастицы, также называемые «составными фермионами», прокладывая путь к новому квантовому состоянию материи, как более подробно описано Д.Тонг в своих лекциях [47].

2.6. ISHE — Обратный спиновый эффект Холла, 1984

Обратный спиновый эффект Холла (ISHE), представленный в e, был впервые продемонстрирован Бакун и др. [50] в 1984 г. путем экспериментальных наблюдений спин-орбитального фототока на кристаллах AlGaAs при 77 К. Если для SHE регистрируется только спиновый ток, то в обратном эффекте ISHE связь спинового тока может генерировать поперечный зарядный ток. В 2014 году, проведя глубокий анализ, Sinova et al. [51] во многом объяснили разницу между SHE и ISHE.Однако, как точно определил Беме в 2016 году [52,53], «обратный спиновый эффект Холла — замечательное явление, которое превращает так называемый спиновый ток в электрический. Эффект настолько странный, что на самом деле никто не знает, для чего это будет в конечном итоге использоваться, но возможно множество технических приложений, включая очень странные новые схемы преобразования мощности ».

2.7. QSHE — Квантовый спиновый эффект Холла, 2007 г.

Квантовый спиновый эффект Холла, представленный в f, экспериментально наблюдался в 2007 г. в квантовых ямах CdTe / HgTe [54,55].Этот эффект связан с предшественником QHE, но также сильно отличается. Фактически, новые топологические состояния, называемые квантовыми спин-холловскими (QHS) состояниями, характеризуются квантованной спин-холловской проводимостью и исчезающей зарядовой холловской проводимостью. В отличие от уровней Ландау КЭХ, существование состояний КШ не требует большого магнитного поля. Действительно, поскольку эти состояния инвариантны относительно обращения времени (TR), нет необходимости во внешнем поле для нарушения TR-симметрии.

2,8. QAHE — Квантовый аномальный эффект Холла, 2013

В случае квантового аномального эффекта Холла (QAHE), представленного на рис. G, явление протекает в системе без какого-либо внешнего приложенного магнитного поля, как четко описано только недавно Лю и др. .[56]. Определяемый как квантованный эффект Холла, он представляет собой новое проявление топологической структуры в многоэлектронных системах и обладает широким потенциалом возможных применений в электронных устройствах. Совсем недавно этот эффект был широко исследован, теоретически смоделирован и физически экспериментирован [57].

2.9. PIHE — Фотоиндуцированный эффект Холла, 2018

В конце концов, новый эффект, названный Фотоиндуцированный эффект Холла (PIHE) и представленный в h, был недавно предложен и опубликован Ли и Рутуоло [58].В этой новой технике и конфигурации установки создается фотоиндуцированный эффект в металлах, предназначенный для магнитного зондирования без смещения. Идея состоит в том, чтобы преодолеть существующее ограничение исходного эффекта Холла (OHE) в металлах, поскольку обнаруженный там эффект иногда слишком мал для практического применения по сравнению с тем же эффектом в полупроводниках, где он является стандартом для измерения магнитного поля. . В этой установке есть прозрачный металл, образующий контакт Шоттки с полупроводником.Полученная инжекция заряда является результатом триггера падающего света, достигающего границы раздела из области пространственного заряда. Каждый раз, когда прикладывается магнитное поле, на краях металла появляется напряжение, пропорциональное полю, а также интенсивности света. Освещая металл, возникают фотоиндуцированные заряды, которые инжектируются из области пространственного заряда. При приложении магнитного поля на краях контакта появляется поперечное напряжение холостого хода, пропорциональное силе света и магнитному полю.Как описано в h, заряды отклоняются магнитным полем, чтобы произвести электрическое, которое перпендикулярно направлениям света и поля.

Со временем, в дополнение к вышеупомянутым девяти основным эффектам, несколько обнаруженных концепций и экспериментальных конфигураций были в конечном итоге названы и получили аббревиатуры. Ниже приводится описание некоторых из них. В конце, общие параметры и единицы электромагнетизма были приведены в Приложении A, в то время как акронимы, связанные с эффектом Холла, приведены в Приложении B, а полный обзор — в Приложении C.

2.10. PHE — Planar Hall Effect, 1968

Среди всех устройств, представленных в этом обзоре, одним является планарный датчик Холла, основанный на плоском эффекте Холла ферромагнитных материалов, обладающих анизотропным магнитосопротивлением. Измеряя изменение магнитосопротивления, можно отобразить компоненты магнитного поля внутри плоскости датчика. Эффект уже исследовался в 1960-х годах Ву Динь Ки на пленках Ni, Fe, Co и Ni-Fe толщиной от 10 до 150 нм в диапазоне температур от 77 до 293 К [59].Обоснование названия этой концепции «Планарный эффект Холла (PHE)» заключается в том, что его основные характеристики отличаются от поведения обычного датчика Холла, который измеряет компоненты поля перпендикулярно плоскости датчика. Для ферромагнитных материалов сопротивление Холла зависит от ориентации тока относительно направления намагничивания. Следовательно, такое свойство вызывает асимметричное электрическое поле, перпендикулярное току, в зависимости от ориентации намагниченности датчика.Когда внешнее магнитное поле прикладывается к плоскости датчика, оно изменяет направление намагничивания. Таким образом, считываемое с датчика напряжение будет изменяться линейно с магнитным полем в плоскости.

2.11. VHE — Valley Hall Effect, 2014

Mak et al. [60] наблюдали эффект Холла долины (VHE) в монослое MoS 2 . В двумерном материале электронная структура позволяет различать две разделенные энергетические долины. Электроны различных долин движутся по образцу в противоположных направлениях.Используя разные методы, было несколько попыток создать неравенство среди населения двух долин. Похоже, что эта область может стать новой областью «доллотроники», которая будет расширена позже дополнительными группами [61].

3. Обзор аналитических и численных моделей

В то время как в разделах 3.1 и 3.2 рассматриваются аналитические модели постоянного тока, в разделах 3.3, разделах 3.4 и 3.5 представлены несколько моделей переменного тока. В моделях постоянного тока в разделе 3.1 представлен изотропный подход (т. Е., Эффект Холла в одном направлении), а в разделе 3.2 — анизотропный подход (т. Е. Несколько направлений). Все пять секций представляют собой классические модели. Квантовые модели эффекта Холла все еще находятся в процессе исследования и еще не полностью применимы в численных инструментах. Раздел 3.6 завершает картину обзором основных дополнительных численных методов Best Known (BKM).

3.1. Классический эффект Холла

По сравнению с новыми моделями, имеющими дело с дополнительными проблемами и соображениями в наномасштабе, классический подход эффекта Холла основан на хорошо известном наборе допущений и уравнений.Однако, чтобы представить и проанализировать несколько передовых тематических исследований позже в этом обзоре, необходимо вернуться к основам. Предполагая, что свободный носитель находится в равновесии, а также принимая следующие определения:

L y — поперечная ширина стержня Холла; A x = L y .d — площадь поперечного сечения стержня Холла; v D — скорость дрейфа свободного носителя; B z — магнитное поле в направлении Z; E y — электрическое поле в направлении Y; V H — напряжение Холла; V Y — напряжение в направлении Y; I x — электрический ток в стержне Холла; q — элементарный заряд; n — плотность свободных электронов.Получаем:

F⇀electric = F⇀minent

(1)

После проецирования оси (а) получаем:

А также:

‖E⇀Y‖ = ‖v⇀D‖‖B⇀ Z‖

(3)

Начиная с:

Напряжение Холла V Y определяется как потенциал V Y в состоянии равновесия. Следовательно, из уравнений (3) и (4) мы получаем уравнение (5):

И поскольку:

получаем:

Сопротивление холловского магнето определяется как отношение электрического напряжения в направлении Y к току. в направлении X:

R H — это трехмерный коэффициент Холла, который определяется как:

3.2. Магнитосопротивление Холла постоянному току

Для этой новой модели необходимо использовать модель Друде [64]. Такой подход позволяет хорошо оценить сопротивление. Более того, такая модель применима в случае, если понимание рассеяния не зависит от природы механизма рассеяния носителей. Это подводит нас к уравнению движения для количества движения на один свободный носитель:

dp⇀dt = −p⇀τ + F⇀

(10)

где p — импульс, приходящийся на один свободный носитель, τ — время столкновения (среднее время свободного пробега), а F — внешняя сила.Обычно скорость свободного носителя составляет:

Предполагая, что электрическое поле равно:

а магнитное поле:

Итак, уравнение движения:

me (ddt + 1τ) v → = q (E → + v → × B →)

(14)

где m e — эффективная масса свободного носителя, q — заряд носителя, равный + e для дырки и −e для электрона. В случае электропроводности постоянного тока получаем два следующих уравнения:

Fx = me (ddt + 1τ) vx = q (Ex + vyBz)

(15)

Fy = me (ddt + 1τ) vy = qvxBz

(16)

В установившемся режиме:

mevxτ = q (Ex + vyBz) → vx = qτExme + ωcvyτ

(17)

mevyτ = q (Ey − vxBz) → vy = qτEyme 9 ωcvxτ

(18)

где:

ωc = qBzme — циклотронная частота (в единицах Гц)

(19)

В установившемся режиме, поскольку:

Тогда:

И:

Следовательно:

При наличии магнитного поля тензор удельного сопротивления определяется по формуле:

(ExEy) = [ρxxρxyρyxρyy] (jxjy)

(24)

Действительно, согласно уравнению (17):

jx = qnvx = nq2τmeEx + qn0002

Определив σ 0 собственную проводимость без магнитного поля (для B z = 0) как:

Затем:

Таким же образом на основе уравнения (18):

jy = qnvy = σ0Ey + qnωcvy

(28)

Получаем:

{σ0Ex = jx − ωcτjyσ0Ey = −ωcτjx + jy

(29)

Тогда матричное уравнение выглядит так:

(ExEωcτ ] (jxjy)

(30)

где коэффициенты тензора удельного сопротивления отождествлены с (27).

ρxx = ρyy = 1σ0 = meq2nτ

(31)

ρxy = −ρyx = ωcτσ0 = Bznq = RHBz

(32)

Теперь мы можем определить тензор проводимости как:

σ ] (ExEy)

(33)

где:

[σxxσxyσyxσyy] = [ρxxρxyρyxρyy] −1

(34)

где:

σxx = σyy = ρxxρxx2 + ρxy2 = σ01 + (ωcτ) 2 = σ01 + (σ0RHBz) 2

(35)

σxy = −σyx = −ρxyρxx2 + ρxy2 = −σ0ωcτ1 + (ωcτ ) 2

(36)

3.3. Динамический тензор магнитопроводимости для свободных носителей

В случае осциллирующего магнитного поля в направлении z приближение динамического тензора магнитопроводимости для свободных носителей потребует нового подхода. Для расчета модель будет сочетать как теорию возмущений, так и допущения модели Друде, представленные в предыдущем абзаце, для магнитосопротивления Холла по постоянному току. В качестве оговорки следует подчеркнуть, что баллистическая проводимость и квантовый эффект Холла не будут учитываться для модели, даже если последний становится более актуальным при сильных магнитных полях (B> 0.5 т). Следовательно, уравнения движения для количества движения на носитель будут следующими:

me (dv⇀dt + v⇀τ) = q (E → + v → × B →)

(37)

где:

v⇀ = v → 0 + εv → 1 + ε2v → 2

(38)

а также

ε = ‖v → 0‖‖B → ‖‖E → ‖≪1

(39)

— член возмущения магнитного поля.

V 1 и V 2 являются соответственно первым и вторым слагаемыми возмущения скорости носителя, а V 0 — невозмущенным слагаемым (без магнитного поля).

ε 1 и ε 2 являются соответственно первым и вторым порядками возмущения (1 и 2 — показатели коэффициента возмущения) скорости носителей, а ε 0 = 1 — невозмущенный коэффициент. Мы использовали его, чтобы связать порядок возмущения с членом возмущения скорости.

Для нулевого приближения (отсутствие магнитного возмущения) ε 0 уравнение принимает следующий вид:

me (dv → 0dt + v → 0τ) = qE →

(40)

Поскольку E → статично, получаем

Следовательно:

мэв → 0τ = qE → → V → 0 = qτmeE → → v → 0 = μeE →

(42)

где µ e — эффективная подвижность свободных носителей заряда.

Начиная с

J → 0 = nq2τmeE → = σ0E →

(44)

Для ε 1 первого порядка уравнение принимает следующий вид:

me (dv → 1dt + v → 1τ) = qv → 0 × B →

(45)

Начиная с

B → (t) = B → 0e − iωt, v → 1 = v → 10e − iωt

(46)

Следовательно:

me (−iω + 1τ) v → 10e − iωt = −ev → 0 × B → 0e − iωt

(47)

Так как

v → 0 = + / — μeE → (+ в случае дырок, — в случае электронов)

(48)

(1 − iωτ) v → 10 = qτμemeE → × B → 0 → v → 10 = μe2E → × B → 0 (1 − iωτ)

(49)

Поскольку

Дж → 10 = σ0μeB → 0 × E → (1 − iωτ) = [0 − σ0μe‖B → ‖1 − iωτ0σ0μe‖B → ‖1 − iωτ00000] E →

(51)

J → 10 = [0 − σ0ε1 − iωτ0σ0ε1 − iωτ00000] E →

(52)

Для второго порядка ε 2 уравнение принимает следующий вид:

me (dv → 2dt + v → 2τ) = qv → 1 × B →

(53)

Начиная с

v → 1B → = v → 10B → 0e − i2ωt

(54)

а также

v → 2 = v → 20e − i2ωt

(55)

Следовательно:

me (−i2ω + 1τ) v → 20e − i2ωt = −ev → 10 × B → 0e − i2ωt

(56)

Начиная с

v → 10 = μe2E → × B → 0 (1 − iωτ)

(57)

Тогда

(1 − i2ωτ) v → 20 = −qτmeμe2 (E → × B → 0) (1 − iωτ) × B → 0 = −qτmeμe2B → 0 (1 − iωτ) × (B → 0 × E →)

(58)

Начиная с

Тогда

Дж → 20 = σ0μe2B → 0 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) × (B → 0 × E →)

(60)

Дж → 20 = σ0μe2‖B → 0‖2 (1 − iωτ ) (1 − i2ωτ) [0−10100000] [0−10100000] E →

(61)

J → 20 = σ0μe2‖B → 0‖2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) [- 1000− 10000] E →

(62)

J → 20 = σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) [- 1000−10000] E →

(63)

Так как

Дж → = J → 0 + J → 1 + J → 2

(64)

а также

J → = [σ0 − σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) −σ0ε1 − iωτ0σ0ε1 − iωτσ0 − σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) 000σ0] E →

(66)

[σ |4. Двумерный электронный газ (2DEG) и гетеродинный эффект Холла

В сочетании с эффектом Холла таким образом, что и магнитное, и электрическое поля колеблются на резонансных частотах, мы получаем пример гетеродинного устройства. Как недавно сообщили Ока и Буччантини [65], гетеродинное устройство может быть реализовано путем приложения осциллирующего электрического поля, действующего как входной сигнал к 2DEG, и в сочетании с осциллирующим магнитным полем, действующим как управляющий сигнал. Из-за эффекта Холла ток, текущий перпендикулярно приложенному электрическому полю, оказывается резонансным на частоте входного сигнала, смещенной на целые числа, кратные частоте возбуждения.В таких случаях мы определяем j a (мОм) плотность электрического тока как выходной сигнал, разделяющий частоту мОм и текущий в направлении a (a, b = x, y, z) и слабое электрическое поле. , в направлении b и частотой nΩ. В этом случае проводимость гетеродина представляет собой четырехиндексный тензор [65], а электрическое поле обозначается Ebn.

ja (мОм) = bσabm, n (nΩ) Ebn

(68)

Можно показать, что для классического случая проводимость гетеродина σabm, n для n = 0 (статическое электрическое поле) [65] равна :

σxy0,0 = 0, σyy0,0 = σ0J0 (r) 2

(69)

σxy1,0 = σ0ΩτJ0 (r) J1 (r) 1+ (Ωτ) 2, σyy1,0 = σ0ΩτJ0 ( r) J1 (r) 1+ (Ωτ) 2,

(70)

, где σ 0 = q 2 n / (ηm) является выражением проводимости в нулевом поле.η — малый феноменологический параметр рассеяния. J 0 (r) — функция Бесселя нулевого порядка; J 1 (r) — первый порядок функции Бесселя; Ω — частота магнитного поля; ω c — циклотронная частота; а r = ω c / Ω — аргумент функции Бесселя.

3.5. Модель свободных электронов и диэлектрический тензор

Тензор диэлектрической проницаемости среды связан с тензором проводимости следующим образом:

[ϵ] = 1 + i (1∈0ω) [σ]

(71)

Следовательно:

∈ = [1 + i∈0ωσxxi∈0ωσxy0i∈0ωσyx1 + i∈0ωσyy0001 + i∈0ωσzz],

(72)

3.6. Численные модели и инструменты — моделирование, сетка и точность анализа

Аналитические модели, конечно, желательны для математического определения физического поведения и тематических исследований интегрированного эффекта Холла в устройство или модуль. Тем не менее, дополнительный анализ с использованием численных моделей и моделирования остается желательным для моделирования и прогнозирования такого поведения. Существует несколько инструментов TCAD, которые использовались на протяжении многих лет, чтобы дополнить спецификации устройства. Ниже мы приведем несколько примеров таких программных платформ и пакетов.

При проектировании структуры Холла также важно обращать внимание на влияние неомических контактов и несимметричных структур на напряжение Холла. Действительно, точно установлено, что они вносят вклад в нелинейность с магнитным полем и смещением соответственно. Обычно этих артефактов можно избежать путем правильного выбора контактных материалов и тщательного проектирования симметричных рисунков контактов, как сообщает, например, Сандер [66].

Для выполнения полного и точного численного исследования таких устройств, конструкции и моделирования обычно используется платформа пакета программного обеспечения Comsol Multi-Physics [67].Подход этой платформы основан на методе конечных элементов (FEM) [68,69] и имеет несколько общих модулей. На этой платформе было разработано несколько типов микро- и наноразмерных устройств [70,71]. В конкретном случае усилителя Холла [71] необходимыми имитационными моделями являются модуль переменного / постоянного тока, модуль полупроводников и модуль теплопередачи. Даже для простой конструкции, такой как показанная на рисунке планка Холла (HB), необходимо следовать хорошо выстроенной последовательности шагов, таких как проектирование геометрических фигур, определение портов и слоев, а также автоматическое или ручное определение сетки для улучшения разрешения моделирования. .Comsol позволяет использовать несколько форм элементов сетки, и опытный дизайнер знает, как оптимизировать использование сетки для повышения плотности и точности в чувствительных частях проектируемой конструкции. Точность сетки очень важна, поскольку она позволяет повысить точность эффекта короткого замыкания и других вторичных эффектов, таких как планарный эффект Холла и т. Д. Например, в то время как c представляет автоматическую структуру сетки по умолчанию, состоящую из кубов, d представляет ту же конструкцию. при ручной оптимизации треугольными элементами меньшего размера.Конечно, такая оптимизация требует компромисса: точность всегда требует более длительного времени выполнения, поскольку весь том делится на гораздо большее количество элементов. Вот почему обычно рекомендуется сначала проверять прогоны с помощью грубого МКЭ, а затем постепенно повышать точность критических зон. Только после этого можно выполнять моделирование функциональности и дополнительные проверки. Иногда для моделирования сложных анализов необходимо совместить использование нескольких дополнительных модулей.

Расчетный поток для трехмерной (3D) барной стойки холла.(а) Предварительный проект и определение портов. (б) Определение слоев. (c) Стандартная автоматическая сетка. (d) Адаптированная ручная сетка с различными зонами плотности, используемая с элементами тетраэдра по умолчанию или сверхтонкими элементами.

Существуют дополнительные пакеты программного обеспечения на основе МКЭ, которые используются для моделирования устройств. Например, анализ методом конечных элементов (FEA) сенсорного модуля был выполнен с использованием программного обеспечения Flux 2D [72], а проверка изменения потока утечки сенсорного модуля в двух различных положениях A и B была выполнена с помощью отображения цветового распределения. , описывающий плотность магнитного потока.В другом тематическом исследовании для моделирования магнитных сил [74] использовался 2D метод конечных элементов с открытым исходным кодом Magnetics (FEMM), созданный Микером [73]. В дополнение к Comsol, Flux, FEMM и другим видам методов конечных элементов необходимо использовать дополнительное программное обеспечение MATLAB [75] для математического моделирования поведения устройства.

Дополнительным инструментом TCAD, используемым для численного прогноза устройств на основе эффекта Холла, является инструмент Synopsys Sentaurus TCAD [76]. Например, эта трехмерная платформа была использована для сравнительного исследования устройств на эффекте Холла [77].Иногда TCAD выбирается в зависимости от приложения, поскольку он соответствует потребностям моделирования. Например, в области формы и расположения датчика Холла и магнитов для мягкого кончика пальца модель была построена в Abaqus (Dassault System, Уолтем, Массачусетс, США) для моделирования [78], опять же с использованием метода конечных вычислений. Элементы (FE) модели.

4. Обзор устройств на основе эффекта Холла на макроуровне

Поскольку в литературе можно найти множество устройств и приложений на основе эффекта Холла, для ясности возникла необходимость классифицировать их по трем категориям: (1) MEM и устройства макромасштаб (≥1 мм), (2) устройства микромасштаба (≥1 мкм), (3) устройства нанометрового и квантового масштаба (<100 нм), как рассмотрено и представлено в следующих параграфах и в алфавитном резюме, и , соответственно.В рамках обзора особые усилия были вложены в конструкцию таблиц и в привязку существующих устройств к соответствующим эффектам Холла, о которых говорилось выше, на которых они созданы. Можно заметить, что чем меньше устройства, тем меньше их списки. Причина этого в том, что интеграция эффекта Холла в мир нанотехнологий довольно сложна и ограничена несколькими причинами, обсуждаемыми в параграфе 6. В таблицах мы попытались расширить список существующих устройств, тогда как в обзорных параграфах мы попытались чтобы сосредоточиться на недавно выбранных опубликованных приложениях.

Таблица 1

Сводная таблица основных известных макроустройств со встроенным эффектом Холла. Классификация осуществляется по измеряемой величине / физическому параметру.

Тип (измеренное количество) Определение и применение Область Год
Датчики угла [82,83] Бесконтактный датчик, разработанный для измерения угла поворота вала. Сигнал пропорционален угловому положению. Автомобилестроение, авиастроение 2013, 2001
Датчики положения и скорости [84,85] Управление положением и скоростью бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC) с помощью нескольких датчиков Холла внутри статора на неприводной стороне мотора. Медицина, военное дело, робототехника 2010, 2019
Датчики тока [86,87] Регулируемый датчик для токов от мкА до кА. Power 2016, 2018
Датчики изгиба кривизны [88] Датчик изгиба большой кривизны на основе внутреннего датчика Холла в кабеле. Обратная связь необходима для аналогового управления. Робототехника, движение 2016
Датчики расхода [89,90] Измерьте расход жидкости или воздуха.Автозаправочные станции самообслуживания разделяют спрос на насосы с дистанционным считыванием показаний. Контроль надоев молока. Жидкости, автомобилестроение, сельское хозяйство 2013, 2013
Датчики компонентов магнитного поля [79,91,92,93] Магнитометры на основе эффекта Холла и датчики PHE с высоким разрешением. Biomedical 2018, 2019, 2020, 2013
Датчики положения [72,94] Положение в линейных двигателях с помощью магнитных датчиков. Датчик офисной машины для оборудования с движущимися частями, такого как копировальные аппараты, факс, принтеры. Робототехника, офис 2015, 2017
Датчики давления [95,96] Измерение давления, положение поршня в высоком давлении. Сенсорная индикация того, что машина не выровнена. Промышленность, автомобилестроение, управление 2011, 2015
Датчики приближения [74] Линейные датчики приближения (LSP) с возможностями измерения среднего и низкого диапазона, широко используемые в промышленных и непромышленных приложениях. Промышленное, непромышленное 2016
Датчики идентификации, местоположения и движения целей [97] Технология радиочастотной идентификации (RFID) для идентификации сигналов дорожного движения и высокоточного измерения скорости транспортного средства с эффектом Холла. базирующийся датчик, размещенный на колесе автомобиля. Автомобильная промышленность 2010
Датчики числа оборотов в минуту [98] Управление скоростью, управление синхронизацией двигателя, обнаружение нулевой скорости, вращение ленты, обнаружение пониженной / повышенной скорости, обнаружение скорости диска, контроллер трансмиссии автомобиля, движение вентилятора, счетчик вращения вала, подсчет бутылок, индикация положения корня, сверлильные станки, линейное или поворотное позиционирование, положение заслонки камеры, определение положения вращения, расходомер, тахометрические датчики. Автомобилестроение 2014
Мягкие тактильные сенсоры и датчики кожи [81,99,100] Магнитные сенсоры для мягких кожных покровов / тактильные сенсоры.Текущее обнаружение нескольких уровней. Робототехника 2016, 2019, 2017
Датчики скорости [101] Датчик скорости трубопровода (PIG) ​​основан на датчике эффекта Холла. Порядок и / или продолжительность операций. Petroleum 2017
Тактильные датчики [78,102,103] Мягкие тактильные датчики на основе эффекта Холла. Робототехника 2019, 2020, 2016
Датчики температуры [104,105] Измерение температуры.Датчик зажигания, установленный на распределителе. Диапазон температур от −40 до 150 ° C. Электроблокировка двери для системы зажигания. Automotive, Office 2016

Таблица 2

Сводная таблица в алфавитном порядке основных известных микроустройств со встроенным эффектом Холла. Классификация производится по аббревиатуре устройства.

31

70234

Таблица

904 основных известных наноустройств и ст. структуры со встроенным эффектом Холла.Классификация осуществляется по аббревиатуре и функции устройства. Можно заметить, насколько мало устройств нанометрового масштаба по сравнению с их макро- и микропредшественниками.

Тип Определение и применение Домен Год
КМОП-сенсоры [77,108] КМОП-датчики на эффекте Холла Микроэлектроника Стабилизированный с помощью прерывателя MAGFET Microelectronics 2018
GHE [114] Графеновый элемент Холла Microelectronics 2013
HEBCS на основе эффекта Холла 902-911 HEBCS 902-34 2018
µA Датчик Холла [116] Функция переключения в маломощном режиме Микроэлектроника 2018
MOS датчик тока [110,117] Силовая электроника Преобразователи 2017, Микроэлектроника
Магнитный датчик MOS [111] Метод устранения влияния напряжений упаковки и колебаний температуры Микроэлектроника 2001
Датчики PHE [80] Обнаружение чувствительного магнитного поля Magnetics 1995
SHEM [118] Сканирующий микроскоп на эффекте Холла Геология 2019
VHS [66] Вертикальный датчик Холла Микроэлектроника 2013

903 Структура QVHE [131]

Тип Определение и применение Домен Год Эффект
Усилитель (ТГц) [71] Усилитель Холла Наноуровневая электроника OHE
Нано-зонды Холла [133] Магнитометры, активные области <100 × 100 нм 2 Визуализация 2006
LHEIC [130] Интегральная схема на линейном эффекте Холла 2015 LHE
Датчик LF AHE [134] Низкочастотный шумовой датчик AHE Электроника 2019 AHE
P3HT-ZnO3

P3HT-ZnO 902 Датчик газа Nanowires Химия 2018
PHRB [136] Планарный биосенсор холловского сопротивления Биология 2020 PHE
PTI [132] Структура фотонного топологического изолятора Монослой SiC на квантовом эффекте Холла Теоретический 2020 QVHE
Датчик [119] Диагностика и измерение магнитного поля Биология 2015
Датчик [120] Магнитное изображение окружающей среды с высоким разрешением Визуализация 2019

4.1. Планарные датчики на эффекте Холла (PHE)

При работе с макромасштабом можно исследовать широкий диапазон измерений, от мегамагнитов до микроэлектромеханической системы (MEMS). Наша цель в этой статье больше ориентирована на МЭМС и более тонкие устройства. Поскольку PHE часто встречается в литературе, мы рассмотрим только несколько репрезентативных публикаций, чтобы подчеркнуть важность его возможных приложений. Недавно Grosz et al. [79] сообщили о изготовлении некоторых эллиптических датчиков на плоском эффекте Холла (PHE).Эти датчики, изготовленные из пермаллоя, обладают особой одноосной анизотропией, обусловленной формой. Впечатляющие результаты и разрешение были получены после оптимизации толщины сенсора и амплитуды тока возбуждения: разрешение магнитного поля 600 пТл / √Гц при 1 Гц и 1 нТГц при 0,1 Гц. Конечно, обсуждаются дополнительные способы улучшения. Фактически, такое устройство PHE не является полностью новым, и исследования его предшественников были опубликованы около трех десятилетий назад с микрометрическими размерами [80].Действительно, команда Ван Дау и др. изготовлены чувствительные устройства обнаружения магнитного поля на основе ПТО. По сравнению с последней версией PHE [79], структура, созданная Van Dau et al. имеет размеры ножек 28 мкм на расстоянии 200 мкм. Структура снова сделана из пермаллоя с ультратонкими слоями толщиной 6 нм поверх дополнительных слоев (), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ). Оптимизация показала чувствительность минимально обнаруживаемого поля ниже 10 нТл.

Таблица 4

Сводная таблица материалов и элементов, используемых для исследования эффекта Холла в литературе.

9 0961 InGaAs

902 909 Mg [80]

909 обычно 80% никеля, 20% железа)

9 0961 Ta (5 нм) / NiFe (10 нм) / Cu (x = 0 ~ 1.2 нм) / IrMn (10 нм) / Ta (5 нм) / подложка Si

Символ / формула Название Основные ссылки
Al Алюминий [31]
AlGaAs
AlGaAside AlGaAside Алюминий 902 Fee Железо [80]
Fe-Pt Ферромагнитные сплавы железо-платиновый [134]
Ga Галлий [71,116] Галлий

Галлий
[71,116]
GaAs-InGaAs-AlGaAs Арсенид галлия — арсенид галлия индия — арсенид алюминия-галлия [130]
C 140 H6 906 905 9045 9045

[114,119,120]
h-BN / графен / h-BN Гетероструктуры графена [137]
Арсенид галлия индия [130]
InSb Антимонид индия [121]
Mg
Mg
Mg Магний
Nd-Fe-B Неодимовый магнит с никелевым покрытием [81]
Ni Никель [80]
Ni-Fe-Mo Per [79,80]
Pd Палладий [80]
P3HT-ZnO Массив нанопроволок оксида цинка (ZnO), изготовленный методом атомного осаждения и органический материал полупроводник p-типа поли (3-гексилтиофен) (P3HT) [135]
Si Кремний [77,80,108,109]
Ta / NiFe / Cu / IrMn / Ta Si [136]

4.2. Датчики для мягкой кожи (SSS)

Другой типичной областью, в которой желательны датчики макроуровня, является робототехника. Например, несколько команд недавно работали над разработкой датчиков мягкой кожи (SSS) для роботизированных приложений. В 2016 году Томо и др. представили новую версию такого НДС на основе эффекта Холла [81]. На протяжении многих лет производился ряд устройств, и здесь представлен краткий обзор самых последних разработанных компонентов.

5. Обзор микромасштабных устройств на основе эффекта Холла

В рамках нашего исследования мы представим избранный обзор основных тенденций в микромасштабном диапазоне. На этот раз мы сравним два типа компонентов и соответствующие им материалы. Краткое изложение недавних применений таких устройств приведено в.

5.1. КМОП-датчики Холла на кремнии

Если устройства макроуровня используются в самых разных областях, таких как робототехника [103], биомедицина [92], медицина [102], астрономия [106], автомобилестроение [31], военное дело, сельское хозяйство [89], офис [31] и т. Д.Похоже, что микромасштабные устройства больше ориентированы на интеграцию в схемы и промышленность микроэлектроники. Было выполнено несколько исследований эффекта Холла в полупроводниках в целом и в кремнии в частности [107]. В качестве примера можно привести разработку КМОП-сенсоров [77], в которой были определены специальные правила проектирования для их создания [108]. Дополнительные исследования были сосредоточены на конструкции и интеграции датчиков Холла в технологию CMOS 0,35 мкм при сравнении девяти различных форм устройств [109].Целью было обеспечить максимальную чувствительность в зависимости от геометрии и размеров. Позже, и в процессе интеграции в меньших размерах, полупроводниковые магнитные датчики, такие как датчики Холла, были реализованы в КМОП-технологии 0,18 мкм, чтобы реализовать новую концепцию моделирования тока стока в прямоугольных МОП-транзисторах [110]. Еще один пример — интеграция магнитных датчиков на эффекте Холла в КМОП-технологию, которая была разработана и исследована двадцать лет назад [111] для устранения влияния напряжения упаковки и колебаний температуры.

КМОП-устройства на эффекте Холла являются наиболее изученными и производимыми устройствами (ежегодно производится несколько миллиардов устройств только для автомобильного сектора). В частности, были широко изучены новые устройства и методы преобразования сигналов для уменьшения напряжения смещения и упаковки в кремниевых устройствах, и были представлены новейшие разработки [66,112,113]. Например, Сандер представил новое устройство с интегрированной КМОП-структурой, названное Вертикальный датчик Холла (VHS) [66], обладающее оптимизированной симметрией для измерения компонент магнитного поля в плоскости.Это новое устройство обеспечивает более высокую степень симметрии за счет соответствующего соединения четырех идентичных трехконтактных элементов. Устройство привело к двум важным улучшениям: во-первых, более чем в четыре раза по сравнению с 5CVHS, изготовленным на той же пластине, и, во-вторых, снижение энергопотребления на 47%. Пять лет спустя Фрик и Осбергер представили стабилизированный прерывателем MAGFET (CHOPFET) [112], магнитотранзистор, который совместим с техникой вращающегося тока для низкочастотного шума и компенсации смещения.Хотя прототип был изготовлен в процессе КМОП 0,35 мкм, он мог показать минимальное значение корреляции шума 0,75 между двумя последовательными фазами переключения.

5.2. Биполярные переходы PNP в графене

Согласно библиографии большого количества публикаций, кажется, что помимо усилий, вложенных в устройства на основе кремния [77,107,108,109], также желательны устройства на основе графена [114]. Благодаря своей исключительной 2D-высокой электрической подвижности и теплопроводности, графен может изменить правила игры в индустрии микроэлектроники, перейдя от кремния к приложениям с графеном, включая интегрированные устройства с эффектом Холла.Более того, как сообщается в следующем абзаце, графен является плодотворной подложкой для новых эффектов Холла в наноразмерном диапазоне при создании наноструктур [115]. Действительно, с помощью измерений электронного переноса было обнаружено плато дробной квантовой холловской проводимости в биполярных графеновых PNP-переходах.

6. Обзор приборов на основе наномасштабного эффекта Холла

6.1. Датчики на эффекте Холла (HES)

Учитывая сложную перспективу внедрения эффекта Холла в область нанотехнологий, некоторые усилия были сосредоточены на использовании этого явления в качестве основы для создания точных датчиков.Краткое изложение недавних применений таких устройств приведено в. Нано-датчики находят множество применений в различных науках, таких как биомедицина, окружающая среда, связь и производство интеллектуальных веществ. Фактически, эти исследования сначала были сосредоточены на исследованиях в области биологии, где материалом, используемым для сенсора, является графен [119]. Поскольку графен представляет собой двумерный материал, состоящий из атомов углерода, который привлек внимание исследователей не только из-за особых свойств, таких как высокая подвижность электронов и ширина запрещенной зоны, близкая к нулю, но и из-за его высокой биологической совместимости, было естественным перейти к биологии. ориентация на основе графеновой подложки.Оставаясь с графеновой опорой, фокус недавно переместился на наноразмерное магнитное зондирование и визуализацию [120]. В этой ссылке графеновые датчики Холла были изготовлены с использованием процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD) с использованием проводов общей шириной от 50 до 1500 нм, а также для того, чтобы использовать высокую подвижность носителей и настраиваемость этого материала.

Дополнительной областью применения наноразмеров на эффекте Холла является ультрамикроскопия. Около двух десятилетий назад было проведено несколько исследований, посвященных нано- и микродатчикам на эффекте Холла для сканирующей зондовой микроскопии Холла при комнатной температуре.Целью было разработать и изготовить нано- и микродатчики на эффекте Холла с использованием тонких пленок Bi и InSb и показать, как они могут быть практической альтернативой зондам GaAs-2DEG для сканирующей зондовой микроскопии Холла (SHPM) [121]. Опять же, можно заметить, что приложения и материалы работают вместе, когда каждый раз домен определяет оптимальный материал для использования. Также были исследованы несколько попыток, таких как транзисторы MoS 2 [60] и датчики на эффекте Холла [122]. Продвигаясь вперед с электромагнитными полями в схемах, были также исследованы баллистические отклоняющие транзисторы [123].В этих случаях были исследованы баллистические эффекты в транзисторах [124,125,126].

6.2. Наноуровневое устройство с усилителем Холла (HAND)

Если датчики на эффекте Холла являются хорошо известными устройствами, то дополнительные компоненты, такие как усилители, менее известны. Недавно был разработан, смоделирован и смоделирован новый наноразмерный компонент устройства под названием HAND (Hall Amplifier Nanoscale Device) () [71]. Цель состояла в том, чтобы обеспечить интеграцию исходного макроэффекта Холла в крошечные схемы, совместимые с современными процессами изготовления кремния.Поскольку мы можем ожидать сверхвысоких рабочих частот (> 10 ТГц), устройство HAND может изменить правила игры для вычислительных схем. Дизайн и числовые проверки были выполнены с использованием программного обеспечения Comsol Multi-Physics Package. Дополнительные усилия были вложены в дополнительные аналитические модели, чтобы лучше понять функциональность устройства. Как показано на рисунке, конструкция HAND’S включает медную катушку с различным количеством петель, окружающую холловскую шину из легированного GaAs. Этот материал был выбран из-за его высокой мобильности.Ширина полосы 50 нм. Обоснование состоит в том, чтобы пропустить высокочастотный электрический ток через окружающую катушку, создавая при этом магнитное поле переменного тока внутри самой панели Холла, что из-за эффекта Холла приводит к возникновению переменного напряжения между двумя ее ручками. На самом деле идея усилителя на эффекте Холла не нова, поскольку она уже появилась в пятидесятых годах [127,128,129]. Эти ссылки еще раз напоминают нам, что, хотя идея появилась почти семь десятилетий назад, технология не была достаточно продвинутой, чтобы изготавливать микро- или наноразмерные устройства, которые можно было бы интегрировать в схемы.Иногда между идеей и ее реализацией проходит длительная задержка из-за отсутствия подходящих технологий и / или соответствующих материалов. Основное нововведение и применение, которое предлагает HAND, — это возможность использовать знания нанотехнологий для интеграции чрезвычайно малых устройств и включения терагерцовых электронных частот. Такое устройство могло бы изменить правила игры. Фактически, по сравнению с предыдущими исследованиями устройств баллистической дефляции, где отклонение осуществляется с помощью электрических полей, текущие исследования ищут альтернативный вариант с использованием магнитных полей.

Усилитель Холла, наноразмерное устройство (HAND), двумерная (2D) структура в Comsol. (а) С активированным полем. (б) 3D вид. (c) В окне моделирования.

Плотность магнитного потока Norm (T), создаваемая медной катушкой 15 нм с несколькими петлями и входным электрическим током 30 мкА. а) вид спереди, пять петель; (б) поперечный разрез, пять петель; (в) накид, пять петель; (г) вид спереди, десять петель; (д) поперечный разрез, десять петель; (е) накид, десять петель.

6.3. Холловские квантовые структуры

С момента, когда мы достигаем наноразмеров (1–100 нм), мы можем ожидать квантовые эффекты и явления, происходящие в сокращенном диапазоне 1–10 нм.В дополнение к вышеупомянутым наноразмерным датчикам и усилителям, несколько команд работали над разработкой квантовых структур, используя также эффект Холла. Одним из недавних примеров является разработка высокочувствительной интегральной схемы с квантовыми ямами Холла (ИС) нанотесла с использованием технологии двумерного электронного газа (2DEG) GaAs-InGaAs-AlGaAs. Эта квантовая структура носит название сверхчувствительных интегральных схем с линейным эффектом Холла (LHEIC) [130]. Его характеристики весьма примечательны, поскольку он способен обнаруживать слабые магнитные поля переменного тока до 177 нТл.Имея дело с диапазоном квантовых размеров, можно заметить, что опубликованные исследования больше ориентированы на монослойные «структуры», чем на применимые устройства. Еще предстоит пройти долгий путь, чтобы превратить квантовый эффект в хорошо работающий компонент. Конечно, эти исследования очень важны для понимания поведения носителей, однако они остаются в теоретической области. Примером такого случая является недавнее исследование эффекта Холла в квантовой долине (QVHE) [131] с использованием монослоя SiC.В таких случаях мы имеем дело с двумерными материалами элементов IV группы, такими как графен, силицен, германен и станнен, которые являются одноатомными. Другой пример структуры — это фотонный топологический изолятор на основе кремния (PTI) [132], также основанный на QVHE. Поскольку в последнее десятилетие изучались топологические фазы света, следующим этапом стало создание полностью диэлектрического PTI Холла.

7. Прогноз, ожидаемые тенденции и перспективы

В этом обзорном документе сделана попытка связать явления и соответствующие устройства, как представлено выше в резюме, и.В этом последнем абзаце мы стремимся спрогнозировать следующие шаги в эволюции интегрированных эффектов Холла в интеллектуальных наноразмерных устройствах, а также то, почему некоторые из этих явлений все еще остаются трудными для интеграции проблемами. Ссылаясь на более чем 150 недавних статей и книг и просмотрев еще несколько сотен, нам кажется, что прекрасная идея реализовать этот феномен в приложениях еще не является прямой, и по крайней мере шесть основных проблем все еще остаются. Десятки групп по всему миру все еще работают над решением этих проблем.Основная причина заключается в том, что потребность и мировой рынок датчиков, основанных на магнитных полях, очень высок, как описано ниже.

7.1. Обзор проблем наномасштаба

7.1.1. Выбор материала: размеры, применение и интеграция

Выбор материала остается первым вопросом, который необходимо решить при разработке устройства на основе эффекта Холла. Как было рассмотрено выше, за прошедшие годы было выбрано несколько элементов и материалов-кандидатов: кремний, графен, GaAs и легированный GaAs, InGaAs, AlGaAs, пермаллой, медь и т. Д.Решение об элементе или материале будет в основном зависеть от трех основных параметров: (1) требуемые размеры планируемого устройства, (2) применение, которое будет реализовано, и (3) насколько гладкими могут быть эти два — материал и устройство — быть интегрированным в существующую отрасль. От макро- до нано- и микромасштаба — стремление обеспечить плавную интеграцию в существующие технологии. Например, для интеллектуальной разработки и интеграции новых устройств в мир микроэлектроники и технологии CMOS потребуются устройства на основе кремния.Согласно Dankert et al. [137], в мире микроэлектроники есть три материала-кандидата для реализации сенсоров Холла: кремний, полупроводники соединений AIIIBV и графен. Из-за низкой стоимости изготовления и возможной плавной интеграции в технологию CMOS кремниевые датчики Холла (использующие активную область) широко представлены на рынке. В качестве второго варианта, обеспечивающего гораздо лучшие характеристики [138], полупроводниковые соединения III-V по-прежнему очень трудно интегрировать в старую, хорошо зарекомендовавшую себя кремниевую промышленность.Та же дилемма существует для устройств электрооптики и фотоники. В конце концов, графен стал интересным материалом для использования в качестве активных областей для магнитных датчиков из-за его характеристик: двумерной природы, низкой концентрации носителей и высокой подвижности носителей. Поскольку приложения эффекта Холла были изучены в нескольких типах элементов и материалов в литературе, представлен краткий обзор материалов, используемых в этой области.

7.1.2. Классические ограничения: мегамагнит, высокая температура и самонагревание

В некоторых тематических исследованиях, например, в схемах нанотехнологий, можно столкнуться с трудным выбором между необходимостью физического сильного магнитного поля, т.е.е., мега-магнит, а с другой стороны — выбранное приложение, в котором будет реализовано устройство, и в котором нельзя допустить такой мега-магнит. По той же причине, что нельзя допускать наличие магнитного поля большой амплитуды (> 0,5 Тл) внутри схемы, также не рекомендуется использовать высокую температуру, которая может повлиять на функциональность и производительность схемы. В мире микроэлектроники и нанотехнологий нельзя допускать высокой температуры внутри схем, так как это может вызвать деградацию устройства и повлиять на характеристики схемы или вызвать нежелательное явление самонагрева.Когда имеешь дело со схемами и устройствами, кажется, что хорошая функциональность не является достаточным основанием для утверждения, что компонент работает успешно. Проблемы и соображения, связанные с качеством и надежностью (Q&R), также следует анализировать и прогнозировать. Более того, при достижении микро- и наномасштабов могут возникать дополнительные явления. Например, в случае стержня Холла (HB), сделанного из металла, явление высокой температуры, упомянутое выше, может создавать механизмы деградации, такие как электромиграция (EM) [139, 140] и самонагревание (SH) [141], такие как в металлических межсоединениях в технологии СБИС.

Несмотря на перечисленные выше классические ограничения, нанотехнологии и мегамагниты не обязательно всегда будут несовместимы или не смогут использовать одно и то же приложение. В качестве первого примера мы можем рассмотреть приложения для биомедицинской визуализации, в которых тяжелое медицинское оборудование может совместно использовать мегамагниты и магнитный резонанс, работая в гармонии с рядом нанодатчиков, расположенных в отдельных областях. Такие приложения обычно ориентированы на улучшение качества процесса визуализации и анализа результатов проверенных образцов или людей.В таких мегасистемах требуемые мегамагниты и ряд нанодатчиков будут работать в гармонии, несмотря на то, что они отделены друг от друга. Дополнительная и аналогичная область, объединяющая обе стороны компромисса, — это оборудование, необходимое для изучения частиц и чистой физики. Можно ожидать, что в недалеком будущем подобное оборудование для анализа будет меньше по размеру и станет портативным для мобильных приложений.

Сделав шаг вперед, подойдет еще один пример желательного сочетания классических ограничений (мегамагнит, высокие температуры) и нанотехнологий.Снова посмотрев на упомянутое выше устройство усилителя Холла в наномасштабе (HAND) [71], можно было заметить, что оно не переносит высоких температур. Для этого конкретного устройства, чтобы решить проблему высокой температуры, вызванной чрезвычайно высокой плотностью тока в медной нанопроволоке, которая окружает стержень холла, можно предложить несколько возможных путей оптимизации: размеры, материалы, плотность петель катушек и геометрия. Также могут возникнуть компромиссы и соображения. Например, увеличение площади поперечного сечения электромагнита для увеличения постоянного тока и более сильного магнитного поля.С другой стороны, для сохранения преимущества наноразмеров необходимо, чтобы устройство оставалось достаточно маленьким. Следовательно, если оптимизация размера устройства может быть первым направлением для проверки, использование альтернативных материалов, обеспечивающих более высокие плотности тока, могло бы стать частью решения этой дилеммы. В области сверхпроводников они могут помочь в создании необходимого магнитного поля, на этот раз с более низкими генерируемыми температурами. Решением проблемы может стать изменение геометрии деталей устройства.Например, магнитное поле становится сильнее по мере увеличения количества витков (a – f) и более однородным вокруг стержня Холла, чем в случае с однопетлевой катушкой. Максимальное поле находится в диапазоне от 1 мТл для пяти петель и до 2 мТл для десяти петель [71]. Чтобы создать более сильное магнитное поле с меньшей плотностью тока, можно проверить дополнительные решения.

7.1.3. Квантовые ограничения и баллистические модели

Имея дело с наномасштабами, нельзя игнорировать дополнительные явления, такие как баллистические эффекты, эффекты дополнительного переноса носителей и квантовые эффекты.Иногда предварительно разработанные аналитические модели могут потребовать дополнительного анализа, улучшения и адаптации, как в случае HAND [71], путем включения дополнительных соображений по транспортировке. Эти улучшения могут поддерживаться несколькими дополнительными моделями. Например, формулировка Кубо-Гринвуда-Честера-Теллунга [65, 142] подходит для исследований квантового переноса в неупорядоченных объемных материалах. Однако моделирование наноразмерных устройств, приближающихся к баллистическому режиму, может быть неполным. Дополнительный подход, такой как формализм Ландауэра-Бюттикера [142,143,144,145], требуется для контактных эффектов и свойств неравновесного переноса.Квантовый эффект Холла незначителен, если магнитное поле будет меньше B <0,5 Тл [145]. Сверхпроводники, возможно, позволят создать более сильное магнитное поле с меньшим выделением тепла и сделать квантовый эффект Холла актуальным для работы усилителя Холла.

7.1.4. Изготовление и плавная интеграция

Изготовление наноразмерных структур и устройств является одной из основных проблем по нескольким причинам. Во-первых, существуют огромные различия между лабораторным процессом для исследовательских целей и промышленным производством для массового производства.Оборудование, стандарты, режим работы, ожидания, квалификация и части для испытаний несопоставимы. В то время как научные лаборатории и центры нанотехнологий обычно заинтересованы в подтверждении концепции новой структуры, уделяя основное внимание аспекту функциональности, высокотехнологичные отрасли с нетерпением ждут критериев качества и надежности (Q&R) своих изготовленных устройств. Во-вторых, пока не хватает производственных предприятий с точностью и производительностью в нанометровом диапазоне.Если технологический процесс макромасштабных устройств на эффекте Холла, таких как автомобильные и робототехнические приложения, хорошо известен, такие технологические процессы для наномасштабного диапазона еще не существуют или еще недостаточно развиты. Переходя к нанесению тонких слоев для небольших устройств, в прошлом успешно использовалось некоторое стандартное оборудование. Около двух десятилетий назад Boero et al. уже сообщалось об использовании нескольких методов в зависимости от используемых элементов [146] для микроустройств. Например, молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) с помощью оптического, электронного и ионного пучков использовались для реализации гетероструктур GaAs и InSb.Химическое осаждение из паровой фазы сегодня часто используется [120, 137] для графена. Что касается наноразмерных устройств, то было показано, что сфокусированный ионный пучок (FIB) может быть использован для изготовления нанозондов из золота и GaAs, легированного кремнием, как сообщалось выше [133]. Индуцированный сфокусированным электронным пучком был использован для субмикронных устройств Холла [147], как сообщалось Boero et al.

7.2. Ожидаемые тенденции

Согласно недавнему исследованию MarketAndMarket [148], рынок датчиков тока на эффекте Холла огромен. Например, в период с 2016 по 2023 год ожидаемый рост составит от 831 доллара США.От 0 до 1473,7 миллиона, при среднегодовом темпе роста (CAGR) 8,4%. Некоторые параметры, помимо растущего спроса на такие устройства, могут послужить катализатором роста этого рынка в последующие годы.

Кроме того, рынок медицинских устройств и приложений на основе нанотехнологий также расширяется [149], который оценивается примерно в 5 миллиардов долларов в 2014 году и, как ожидается, достигнет примерно 8,5 миллиардов долларов к 2019 году при среднегодовых темпах роста (CAGR) около 11–12% в прогнозный период 2014–2019 гг.Как сообщается там, «рост стареющего населения, увеличение расходов на НИОКР и международное сотрудничество в области исследований в основном стимулируют этот рынок. Однако высокая стоимость медицинских устройств на основе нанотехнологий и трудоемкие процессы утверждения продукции в определенной степени сдерживают рост этого рынка ». Разумно предположить, что объединение усилий по разработке наноразмерных устройств, основанных на семействе эффектов Холла, обеспечит большой скачок вперед в ближайшие годы. По этой причине можно рекомендовать, чтобы усилия были вложены в разработку наноразмерных устройств, не только структур, но также и, главным образом, разработки компонентов.

Датчики на эффекте Холла — физические вычисления

Содержание

  1. Введение
  2. Эффект Холла
  3. Датчики на эффекте Холла
    1. Приложения для датчиков на эффекте Холла
    2. Аналоговый и двоичный выход
      1. Аналоговые датчики на эффекте Холла
      2. Двоичный ( на основе переключателя) Датчики на эффекте Холла
    3. Герконы
    4. Датчик Холла DRV5055
      1. Подключение DRV5055
      2. Отклик датчика на магнитное поле
  4. Сделаем вещи
  5. Сделаем волшебный магнитный осветлитель для светодиодов
    1. Workbench video
    2. Улучшение схемы
  6. Создайте волшебный магнитный осветлитель для светодиодов на базе Arduino
    1. Схема Arduino на эффекте Холла
    2. Код
    3. Workbench video
  7. Ссылки
  8. Видео
  9. Цитаты

901 36

В этом уроке вы узнаете о двух типах магнитных датчиков: датчиках Холла и герконовых переключателях.Затем вы будете использовать датчик Холла DRV5055 для создания простой схемы светодиода с автосветлением, сначала без, а затем с микроконтроллером.

Введение

Магнитные датчики, такие как герконы и датчики на эффекте Холла, реагируют на присутствие магнитного поля. Это действительно повсеместные датчики, которые можно найти во всем, от автомобильных цепей управления и систем управления жидкостями до электронных устройств, таких как сотовые телефоны и компьютеры. В то время как герконовые переключатели являются электромеханическими: два внутренних контакта физически замыкаются, когда правильно ориентированное магнитное поле находится в пределах допустимого диапазона, датчики на эффекте Холла являются твердотельными (без движущихся частей) преобразователями: они преобразуют магнитную энергию в электрическую и могут использоваться как аналоговые. датчики или переключатели.

Ключевым преимуществом датчиков на основе магнита является то, что сам магнит не требует питания и даже может быть полностью заключен в движущуюся часть, такую ​​как окно, колесо, турбина и т. Д. Например, велосипедный тахометр работает, прикрепляя магнит к колесу велосипеда (которое вращается), в то время как датчик Холла или герконовый переключатель прикрепляется к вилке колеса и используется микроконтроллером для подсчета оборотов. Магнитные датчики также обычно используются для отслеживания вращения в электродвигателях постоянного тока, которые уже содержат магниты для питания двигателя.

Два примера системы слежения за колесами велосипеда (слева и посередине) вместе со спидометром велосипеда. Как правило, эти системы сделаны с датчиками Холла или герконовыми переключателями для измерения оборотов колес, которые преобразуются в расстояние и скорость с помощью небольшого компьютера с дисплеем (часто установленным на руле). Примечание: чтобы использовать эту систему, велосипедист должен сначала выполнить этап калибровки, переместив колесо на заданное расстояние (тем самым предоставив необходимые данные для преобразования числа оборотов в расстояние).

Эффект Холла

Как взаимодействуют электрические и магнитные поля? Возможно, вы помните, что электрический ток создает магнитное поле (вспомните правило правой руки из школьной физики). Но влияет ли магнитное поле на ток? Да!

Электричество и магнетизм давно привлекали внимание людей, но считались отдельными явлениями. Только в конце 19 века Джеймс Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором электричество и магнетизм объединились в одну взаимосвязанную силу: электромагнетизм.Но остались ключевые вопросы, в том числе, наиболее актуальные для нас: как магниты взаимодействуют с электрическим током?

Войдите в Эдвин Холл. Будучи аспирантом Университета Джонса Хопкинса в 1879 году, Холл открыл «эффект Холла», который представляет собой возникновение небольшой разности напряжений на электрическом проводнике, поперечном электрическому току, при приложении магнитного поля (Википедия). Этот анимационный ролик «How to Mechatronics» помогает продемонстрировать эффект. Когда вводится магнит, он отталкивает отрицательные заряды к одной стороне проводника, создавая асимметричное распределение заряда (перпендикулярно току) на проводнике.Это разделение зарядов создает новое электрическое поле с небольшим электрическим потенциалом (часто в милливольтах), которое можно измерить с помощью мультиметра или аналогичного устройства.

Анимация из «How to Mechatronics»

Обратите внимание, что хотя анимация показывает прекращение тока через проводник во время эффекта Холла, это не так. Ток продолжает течь даже в присутствии магнитного поля. Анимация также не показывает, что при переворачивании магнита эффект Холла также меняется на противоположный: отрицательные и положительные заряды смещаются к противоположным сторонам проводника (и опять же, это смещение поперечно току).

Запутались? Это нормально!

Чтобы лучше понять эффект Холла, посмотрите это 5-минутное видео профессора Боули из Ноттингемского университета. Он предлагает прекрасный набор визуальных экспериментов и объяснений (лучшее, что мы видели), которые должны прояснить ситуацию:

В этом замечательном видео из Ноттингемского университета профессор Боули объясняет физику эффекта Холла.

Датчики на эффекте Холла

Датчики на эффекте Холла используют «эффект Холла» для измерения величины ближнего магнитного поля.Точнее, датчики на эффекте Холла измеряют «магнитный поток» (\ (Φ \)), который представляет собой полное магнитное поле \ (\ vec {B} \), проходящее через заданную область \ (\ vec {A} \) (где A — площадь чувствительного элемента, перпендикулярная магнитному полю): \ (Φ = \ vec {B} \ cdot \ vec {A} \). В то время как индуктивные датчики реагируют на изменение магнитных полей, одним из преимуществ датчиков на эффекте Холла является то, что они работают со статическими (неизменяющимися) полями. Таким образом, датчик на эффекте Холла может реагировать на магнит, даже если он не движется.

Моделирование магнитного потока магнита NdFeB.Изображение из таблицы данных датчика Холла DRV5055.

Поскольку векторы магнитного поля текут от северного полюса магнита к южному, магнитный поток будет изменяться в зависимости от ориентации магнита на датчик эффекта Холла. Величина магнитного потока максимальна, когда полюса магнита перпендикулярны датчику. Чтобы узнать больше о магнитном потоке, см. Этот урок Академии Хана.

Приложения для датчиков на эффекте Холла

Датчики на эффекте Холла используются в широком спектре бытовых и промышленных приложений, от автомобилей до контроля жидкостей и автоматизации зданий.Некоторые приложения, такие как определение положения сиденья и ремня безопасности, используют датчики эффекта Холла для определения местоположения объектов, в то время как другие используют датчики эффекта Холла для бесконтактных измерений постоянного тока (измерение индуцированного магнитного поля током через провод). Только современные автомобильные автомобили содержат 10 или более датчиков Холла для всего, от определения положения стеклоочистителя до педалей тормоза и газа до системы зажигания (Landuyt et al., SPLC’14).

В своем справочнике по датчикам Холла Honeywell предлагает десятки идей по применению:

Подмножество идей по применению датчиков Холла, представленных в справочнике Honeywell.

Сравнение аналогового и двоичного выхода

Датчики на эффекте Холла могут иметь аналоговый или двоичный выход. В любом случае это активные датчики с тремя контактами (\ (V_ {CC} \), \ (GND \) и \ (Out \)).

Аналоговые датчики на эффекте Холла

В предыдущих уроках мы рассмотрели резистивные датчики, такие как силочувствительные резисторы и фоторезисторы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от некоторого внешнего воздействия. Напротив, аналоговый датчик на эффекте Холла выдает переменное напряжение.Это напряжение прямо пропорционально измеренной плотности магнитного потока.

Двоичные (переключательные) датчики на эффекте Холла

Некоторые датчики на эффекте Холла действуют как выключатели: либо включены (при наличии достаточно сильного магнитного поля), либо выключены (в противном случае). Например, US5881LUA, продаваемый Adafruit, обычно HIGH , но переключается на LOW при наличии южного магнитного полюса. Некоторые переключатели на эффекте Холла защелкиваются, и они остаются в активированном состоянии даже после снятия магнита.Например, датчик Холла с фиксацией US1881 переключается на HIGH при наличии северного магнитного полюса, но остается в этом состоянии даже после удаления магнита и до тех пор, пока не будет обнаружен южный магнитный полюс.

Для создания двоичного выхода эти датчики на эффекте Холла имеют дополнительный внутренний элемент, называемый триггером Шмитта, подключенный к аналоговому выходу, который преобразует внутренний аналоговый выходной сигнал во внешний цифровой выход ( HIGH или LOW ).Смотрите это видео от «How to Mechatronics».

Герконовые переключатели

Изображение из Википедии.

Хотя некоторые датчики на эффекте Холла выдают двоичный выходной сигнал ( HIGH или LOW ) и, таким образом, могут функционировать как переключатели, их не следует путать с герконовыми переключателями, которые являются электромеханическими устройствами. В герконовом переключателе два ферромагнитных металлических контакта замыкаются в присутствии магнитного поля (в противном случае они нормально разомкнуты). Поскольку геркон — это механическое устройство, контакты переключателя могут со временем изнашиваться.Смотрите анимацию ниже.

Анимация язычкового переключателя Видео активации замедленного движения

Видео активации замедленного движения взято из Википедии.

Геркон — это пассивный датчик: его контакты замыкаются в присутствии магнитного поля независимо от того, включен ли он в цепь. В отличие от датчиков на эффекте Холла герконы нечувствительны к полярности магнитного поля; однако магнитное поле должно быть параллельно тростнику — либо с севера на юг, либо с юга на север.См. Рисунок ниже.

С датчиком на эффекте Холла плотность магнитного потока через датчик максимизируется, когда магнитный полюс направлен прямо на датчик. При использовании геркона магнитные полюса должны быть параллельны датчику. Изображение получено из KJMagnetics.

Вот видео, демонстрирующее работу герконового переключателя с тремя разными магнитами от K&J Magnetics:

Датчик Холла DRV5055

В наши комплекты оборудования мы предоставляем ратиометрический линейный датчик Холла DRV5055 компании Texas Instruments (TI), который изменяет свое выходное напряжение пропорционально плотности магнитного потока.Ратиометрический означает, что выходное напряжение датчика пропорционально напряжению питания (\ (V_ {CC} \)).

DRV5055 может работать с источниками питания как 3,3 В, так и 5 В (с допуском +/- 10%). Датчик может быть дискретизирован на частоте 20 кГц. Чтобы обеспечить надежное выходное напряжение в широком диапазоне условий развертывания, микросхема DRV5055 включает в себя схемы температурной компенсации, компенсации механических напряжений, преобразования сигнала и усиления. Таким образом, несмотря на небольшой размер, в этот аппарат встроено значительное количество сложного оборудования.

Доступны два пакета: корпус SOT-23 для поверхностного монтажа (левый рисунок ниже) и корпус TO-92 (справа). Мы будем использовать пакет для сквозных отверстий (TO-92).

Два блока DRV5055 с конфигурацией контактов и расположением элемента Холла помечены красным цветом (в центре датчика)

Подключение DRV5055

Для использования датчика подключите ножку 1 к \ (V_ {CC} \) * , Ножку 2 к \ (GND \) и ножку 3 к аналоговому входу на вашем Arduino (скажем, A0 ).

* TI рекомендует подключить вывод 1 к керамическому конденсатору с заземлением номиналом не менее 0,01 мкФ. Это называется развязывающим конденсатором (или байпасным конденсатором) и является обычным дополнением, помогающим сгладить подачу напряжения во время работы датчика. См. Схему подключения ниже. Хотя это не является абсолютно необходимым (а у некоторых из вас может не быть доступа к керамическим конденсаторам), это рекомендуется (это повысит производительность и надежность). Чтобы увидеть эффект добавления развязывающего конденсатора на подачу напряжения на микросхему, посмотрите это видео.Дэйв Джонс из EEVblog также дает хороший урок на доске (ссылка).

Мы включили две эквивалентные схемы подключения Arduino. На левой диаграмме изображена макетная плата, что, по нашему мнению, может немного сбить с толку тех, кто все еще знаком с макетами. На средней схеме такая же разводка, но без макета. Схема справа скопирована / вставлена ​​непосредственно из таблицы данных DRV5055.

Отклик датчика на магнитное поле

Итак, как выходной вывод DRV5055 (ножка 3) реагирует на магнитное поле?

Когда магнитное поле отсутствует, аналоговый выход управляет половиной \ (V_ {cc} \).Итак, на Arduino Uno analogRead (A0) вернет 512 (1023/2) в состоянии по умолчанию (без магнита). Выходной сигнал датчика будет линейно изменяться в зависимости от приложенной плотности магнитного потока. Если южный полюс магнита обращен к датчику, аналоговый выход будет увеличиваться между \ (V_ {cc} / 2 \) — \ (V_ {cc} \). Если северный полюс обращен к датчику, выходное напряжение уменьшится с \ (V_ {cc} / 2 \)) до 0 В. См. График магнитного отклика ниже и раздел 7.3.2 таблицы данных DRV5055.

График магнитного отклика датчика Холла DRV5055. На диаграмме справа показан южный полюс магнита, перпендикулярный чувствительной поверхности, что приведет к положительному значению \ (\ vec {B} \) и аналоговому выходному напряжению> \ (V_ {cc} / 2 \). Если ориентация магнита перевернута так, что северный полюс обращен к датчику, то \ (\ vec {B} \) будет отрицательным, а аналоговое выходное напряжение будет находиться в диапазоне от 0 до \ (V_ {cc} / 2 \) .

Давайте сделаем вещи

Во-первых, мы собираемся использовать датчик на эффекте Холла в «голой» схеме без микроконтроллера, а затем мы покажем, как использовать датчик с Arduino.

Сделайте волшебный магнитный осветлитель для светодиодов.

Давайте воспользуемся датчиком Холла для автоматического изменения яркости нашего светодиода. Напомним, что \ (V_ {out} \) увеличивается по мере приближения южного полюса магнита и \ (V_ {out} \) уменьшается по мере приближения к северному полюсу. Давайте воспользуемся этим свойством для управления яркостью нашего светодиода.

Даже с этой простой схемой есть много творческих возможностей: представьте себе свет Гарри Поттера, который включается только тогда, когда волшебная палочка приближается (свет будет содержать датчик эффекта Холла, а палочка — магнит).

В таблице данных DRV5055 указано, что максимальный непрерывный выходной ток составляет 1 мА. Используя закон Ома, мы можем рассчитать безопасное значение сопротивления для токоограничивающего резистора, чтобы светодиод не потреблял слишком большой ток. \ (I = \ frac {V_ {cc} — V_f} {R} \ to 1mA = \ frac {5V-2V} {R} \ to R = \ frac {3V} {0.001A} = 3000Ω \). Итак, мы будем использовать 3,3 кОм.

Мы включили две схемы подключения: слева предложенная схема подключения по техническому описанию DRV5055 с разделительным конденсатором, а справа такая же проводка, но без конденсатора.Оба будут работать одинаково для наших целей, поэтому, если у вас нет под рукой конденсатора, просто сделайте схему справа.

Видео рабочего места

А вот видео рабочего места, демонстрирующее схему (без конденсатора). Вторая половина видео включает в себя два мультиметра: один для измерения тока в цепи, а другой — для измерения выходного напряжения датчика Холла.

Мой голос очень тихий, так как я записал видео рано утром и не хотел беспокоить свой дом! : D

Улучшение схемы

Что, если бы мы хотели подавать более 1 мА через наш светодиод? У нас есть два варианта:

  1. Как и в случае с нашей схемой фоторезистора, мы можем изменить нашу схему, чтобы использовать транзистор.В этом случае выход датчика Холла будет подключен к транзистору, который будет контролировать ток через наш светодиод. Если у вас есть транзистор, не стесняйтесь попробовать это!
  2. Мы могли бы перейти к использованию микроконтроллера, что мы и собираемся сделать!

Сделайте волшебный магнитный осветлитель для светодиодов на основе Arduino.

Давайте адаптируем нашу схему для использования Arduino. Мы создадим одну схему для считывания показаний датчика Холла на A0 и другую схему для включения и автоматического увеличения яркости светодиода с помощью ШИМ (через контакт 3 GPIO).

Схема Arduino на эффекте Холла

Ниже представлены две схемы подключения: одна с разделительным конденсатором (0,01 мкФ), а другая — без. Разделительный конденсатор необходим для обеспечения постоянного напряжения питания во время работы датчика Холла; однако это не обязательно для простого прототипирования и обучения.

Код

Наш код — это самый простой вариант. Мы просто считываем выходное напряжение датчика Холла на A0 и напрямую переводим его на выход ШИМ светодиода.Напомним, что датчик на эффекте Холла выдает \ (V_ {cc} / 2 \), когда магнит отсутствует. Таким образом, светодиод «наполовину включен» ( analogWrite (LED_PIN, 128) ) без магнита, полностью яркий, когда южный полюс обращен прямо перед датчиком, и полностью выключен, когда северный полюс обращен прямо перед датчиком.

Одна простая модификация, которую вы можете попробовать: когда магнит отсутствует, выключите светодиод. При обнаружении южного или северного полюса магнитного поля соответственно увеличьте яркость светодиода.

Workbench video

Ссылки

Видео

Цитаты

Димитри Ван Ландайт, Стивен Оп де Бек, Арам Овсепян, Сэм Мичилс, Воутер Джоузен, Свен Мейнкенс, Гьялт де Йонг, Ашер Бараис. 2014. На пути к управлению изменчивостью в конструкции безопасности автомобильного датчика Холла. В трудах 18-й Международной конференции по линейке программных продуктов — Том 1 (SPLC ’14). Ассоциация вычислительной техники, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 304–309.DOI: https: //doi.org/10.1145/2648511.2648546


Нашли ошибку? Оставьте комментарий ниже или сообщите о проблеме на GitHub. Материалы Makeability Lab и профессора Джона Э. Фрёлиха.

датчиков: hall_effect [SensorWiki.org]

Эффект Холла возникает, когда электрический заряд, проходящий через электрический проводник, создает асимметричное распределение заряда, что приводит к разнице напряжений и магнитному полю, перпендикулярному току.

Датчик эффекта Холла — это устройство, которое реагирует на магнитное поле магнита и выдает заряд, пропорциональный расстоянию до магнита.

Очень четкое и подробное объяснение профессора Боули из Ноттингемского университета:

Сводка

Введение

Чтобы проиллюстрировать, как ведут себя электроны, проходя через проводник, давайте поищем параллельный пример. Свойство направленности потока электронов через проводник больше напоминает поток путешественника по тропе, чем поток воды по трубе. Тропа — это путь наименьшего сопротивления, но если на нее воздействует внешняя сила (например, присутствие медведя и детеныша), турист свернет на противоположную сторону тропы.Это означает, что на поток электронов в проводнике могут напрямую влиять силы вне канала.

С электрическим током тесно связан магнетизм. Любой электрический ток порождает магнитное поле, и, как показал Майкл Фарадей, любое магнитное поле порождает электрический ток. В проводнике с установленным током наличие магнитного поля вызовет отклонение тока, при котором потенциал одной поперечной стороны проводника будет иметь более высокий потенциал, чем другой.Это то, что известно как эффект Холла.

Простой датчик на эффекте Холла состоит из двух отдельных цепей:

  • Цепь смещения, которая прикладывает фиксированное напряжение к «верхним» и «нижним» клеммам полупроводникового материала

  • Схема измерения, которая определяет напряжение между одной «стороной» полупроводникового материала и другой.

В отсутствие магнитного поля измеренное напряжение незначительно, но когда магнитное поле прикладывается «внутрь» или «из» полупроводникового материала, напряжение индуцируется по ширине материала.Напряжение Холла прямо пропорционально силе магнитного поля. Обратите внимание, что напряженность поля и, следовательно, напряжение не связаны линейно с расстоянием между датчиком и источником магнитного поля (то есть магнитом). Ориентация полюса магнита (северная или южная полярность) по отношению к датчику определяет, направлены ли силовые линии магнитного поля «внутрь» или «от» датчика.

Типы датчиков Холла

Датчики на эффекте Холла бывают двух основных типов:

  • Порог (также называемый цифровым или двухпозиционным), который создает постоянное напряжение Холла, когда напряженность поля достигает определенной амплитуды и / или полярности.Существует множество различных конфигураций пороговых устройств, таких как фиксирующие устройства, которые включаются, когда положительная напряженность поля достигает порогового значения, но выключаются только при отрицательном поле той же силы, или устройства, которые включаются, когда только положительное поле достигает определенного порога и в противном случае выключены, или устройства, которые включаются, когда положительное или отрицательное поле достигает порогового значения, и выключаются в противном случае, и т. д. Некоторые устройства даже имеют программируемые пороговые значения.

  • Линейный (датчик аналогового выхода), который выдает напряжение Холла, пропорциональное силе магнитного поля вокруг него.Ориентация окружающего магнитного поля определяет полярность колебаний напряжения. Линейные устройства чаще используются в музыкальных приложениях, когда выразительные жесты должны восприниматься как крошечные изменения положения.

Использование

Датчики Холла обычно используются для измерения скорости вращения колес и валов, например, для определения угла опережения зажигания двигателя внутреннего сгорания или тахометров. На изображенном колесе с двумя одинаково расположенными магнитами напряжение от датчика достигает пика дважды за каждый оборот.Такое расположение обычно используется для регулирования скорости дисководов для дискет. Он также использовался для измерения скорости вращения Gyrotyre Эллиота Синьора в конфигурации, аналогичной показанной ниже.

Пороговые устройства могут использоваться как бесконтактные переключатели или как счетчики. Некоторые из них могут использоваться вместе для выполнения временного анализа или очень грубых позиционных измерений.

Линейные устройства могут измерять напряженность поля, которая изменяется в зависимости от положения (и, следовательно, скорости и ускорения), но не линейно.Для получения линейной зависимости между выходным напряжением и расстоянием между магнитами могут применяться методы аппроксимации кривой. Линейные устройства, а также могут использоваться в качестве датчиков наклона, поскольку напряженность магнитного поля изменяется в зависимости от проекции на поперечную ось. Существуют двух или трехкоординатные устройства, позволяющие проводить измерения с большим количеством степеней свободы.

Функции

  • быстрая работа

  • длинная жизнь

  • высокая повторяемость

  • без движущихся частей

  • широкий диапазон температур

  • недорого

вопросы

Приложение для этого датчика, используемого в контексте музыкальных инструментов, — это Hyper Flute Клео Паласио Квентина.На рычагах G # и C # флейты используются два датчика Холла. Небольшой диапазон клавиш измеряется девяносто пятью шагами, что дает исполнителю очень точный контроль над параметрами, которые она контролирует.

Пояснение и исполнение художника на Интерфейсах Монреаль (на французском языке):
http://www.interfacesmontreal.org/en/videos/hyper-flutefrom-instrumental-gestureto-digital-processing

Устройства

Honeywell SS49E Источники
Описание Описание: Линейный датчик на эффекте Холла Digikey
Техническая спецификация pdf
Ресурсы Заметки
Варианты
Melexis US1881EUA Источники
Описание Описание: Пороговый цифровой датчик Холла с защелкой Digikey
Техническая спецификация pdf
Ресурсы Заметки
Варианты
Everlight HI300 / D1 Источники
Описание Описание: Пороговый датчик холла PartMiner
Техническая спецификация эффект Холла.pdf
Ресурсы Заметки
Варианты

Внешние ссылки и ссылки

  • Фраден, Джейкоб. 2001 Справочник по современным датчикам: физика, конструкции и приложения. Springer Verlag.

  • Миранда, Э. Р. и Вандерли, М. М. 2006. Новые цифровые музыкальные инструменты: управление и взаимодействие за пределами клавиатуры.Издания A-R.

  • Паллас-Арени, Э., Вебстер, Джон. 2000 Датчики и обработка сигналов, 2-е издание

.