Принцип действия датчика холла
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.
autosteam.ru
Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения
Речь пойдет о датчике тока, принцип действия которого основан на эффекте Холла (Датчики Холла). Что это за эффект, и как такой датчик можно сделать в домашних условиях? Чтобы лучше понять эффект Холла нужно разобрать эксперимент физика, в честь которого был назван этот эффект.
Виды
- Цифровые датчики. Работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчика является то, что у него есть зона нечувствительности порогов.
Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные.
• Униполярные работают, если есть поле какой-либо полярности, выключаются при уменьшении индукции. • Биполярные срабатывают на изменение полярности поля. При одной полярности датчик включается, а при другой – выключается. 2. Аналоговый вид датчиков Холла изменяет индукцию поля в разность потенциалов. Значение датчика зависит от полярности и его силы. Нужно учитывать, на каком расстоянии находится датчик.
Применение
Датчики Холла входят в состав многих приборов. Чаще они применяются в измерении напряженности поля магнитной индукции, в электродвигателях, в ионных двигателях ракет. Широкое распространение датчики Холла нашли в устройстве системы зажигания современных автомобилей.
Также они используются в бесконтактных выключателях, герконах, при измерении силы тока, уровня жидкости и других местах. Главное их преимущество – это воздействие без физического контакта.
Как проверить на автомобиле исправность датчика Холла
В быту с такой проблемой сталкиваются чаще всего автомобилисты. Наиболее простым способом является обыкновенная замена на исправный датчик. Если после замены система зажигания заработала, значит необходимо менять датчик.
Если нечем заменить проверяемый датчик, то собирают простое устройство, которое может имитировать работу датчика Холла. Берется кусок провода, и тройной разъем от распределителя зажигания. Эти предметы работают аналогично датчику.
Для контроля пользуются обычным мультиметром. Если датчик вышел из строя, то тестер покажет 0,4 вольта или меньше. Также проверяется работа датчика путем проверки искры при подключении зажигания. Перед этим соединяют концы провода к выходам коммутатора.
Если неисправность возникла не на автомобиле, а на другом оборудовании, то необходим тестер. Методика проверки будет зависеть от прибора, в котором установлен датчик.
Датчики Холла в смартфонах
Мобильные гаджеты имеют в составе много функциональных блоков. Среди них есть вспомогательные датчики, одним из которых является датчик Холла. В современных устройствах связи такие датчики являются измерительными элементами, с помощью которых определяют мощность магнитного поля, его изменения. Они называются в честь ученого Холла.
Для чего установлен датчик Холла в смартфоне
Этот сенсорный элемент имеет много возможностей. Одной из них является измерение магнитной индукции приборов, а также бесконтактное управление. В дорогих моделях смартфонов имеется магнитометр, работа которого основана на датчике Холла.
На многих мобильниках этот датчик не полностью реализован. В основном этот сенсор применяют для таких задач:
• Цифровой компас. Применяется для программ навигации и повышения скорости позиционирования. • Оптимизация взаимодействия устройства с разными аксессуарами, магнитными чехлами.
• Применение датчика в раскладных моделях телефонов, для включения и отключения экрана при движении крышки.
Пример работы магнитного датчика Холла в чехле и смартфона заключается в том, что при открывании и закрытии чехла автоматически происходит блокировка экрана. Датчик реагирует на движение магнита, на усиление магнитного поля.
Принцип действия
Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.
Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.
На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле.
Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла.
Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.
Сборка датчика тока на основе эффекта Холла
Попробуем сделать собственный датчик тока. Понадобится ферритовое кольцо и датчик Холла. Найти ферритовое кольцо не составляет особых проблем. Они есть в блоках питания компьютера или энергосберегающих ламп, а также продаются в радиомагазинах по цене от 10 до 100 рублей в зависимости от размера самого кольца. В нашем случае имеется кольцо диаметром 28 мм за 55 рублей.
Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он там 70 рублей за 5 штук. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Мы приобрели его в интернете.
Стоит отметить, что датчики Холла подразделяются на два вида:
• Аналоговый.
• Дискретный.
Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока. В нашем случае это аналоговый датчик ОН49Е.
Схема подключения датчика
Схема подключения выглядит следующим образом.
Как видно из рисунка для детектирования магнитного поля, создаваемого током в проводнике, нам необходимо будет сделать зазор в ферритовом кольце и поместить туда датчик Холла. Тем самым появится возможность измерять величину этого электромагнитного поля. На основании полученных данных можно делать вывод о том, есть ли сейчас ток в проводнике, и какой он величины.
Чтобы получить более универсальный вариант этого датчика, мы распилили ферритовое кольцо пополам, что без тисков было сделать сложно. Это привело к поломке кольца. Как хорошо, что люди придумали клей, и это дело мы быстро исправили. Получив две половинки, мы убрали неровности наждачной бумагой. Затем на одну из сторон мы вырезали и приклеили плотный лист бумаги. На другую сторону сам датчик Холла. После этого мы приклеили обе половинки к большому крокодилу на 30 ампер.
В итоге получились токовые клещи, или более универсальный вариант датчика тока, который можно снять и присоединить к любому проводу без его разреза. Такие разделяемые датчики тока стоят около 1500 рублей, при заказе в Китае. Экономия получилась налицо.
Датчик готов.
Промышленное напряжение в сети переменного тока изменяется с частотой 50 герц. То есть, направление тока, текущего по проводнику, будет меняться 50 раз в секунду. Электромагнитное поле также вслед за током будет менять свое направление 50 раз в секунду.
Похожие темы: Комментарии:electrosam.ru
Датчик Холла
Датчик Холла – это небольших размеров чувствительный элемент, позволяющий отслеживать изменения магнитного поля. Нужно сказать, что несмотря на то, что открытию уже более 100 лет, и явление, лежащее в основе принципа действия, известно с 1879 года, лишь в последние несколько десятилетий эти изделия стали неотъемлемой частью многих 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 ней подносят магнит. В результате становится возможным фиксировать сам факт его приближения к датчику. Разница потенциалов зависит по большей части от:
- Величины протекающего постоянного тока.
- Напряжённости магнитного поля.
- Подвижности и концентрации носителей заряда в материале.
До 1950-х годов, когда впервые создали регистратор микроволнового излучения, эффект Холла не применялся за пределами лабораторий. А в широкое плавание он был запущен изготовителями компьютерных клавиатур – концерны были очень 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, позволил значительно улучшить характеристики оборудования. На данный момент в промышленности наблюдается ежегодный прирост потребности в сенсорах Холла, и по некоторым оценка топовая пятёрка компаний-производителей имеет доходность в этой области порядка 2 млрд. долларов.
Сегодня датчики Холла используют как раз из-за этой особенности – они практически вечные, потому что не содержат движущихся и трущихся частей. И в клавиатуре ломается обычно не чувствительный элемент, а контроллер. Известны даже вирусы, которые перепрограммируют чип и заражают компьютер… через USB-клавиатуры. Кстати, спецслужбы давно уже взяли на вооружение этот метод, чтобы шпионить, а эффективной защиты против уязвимости попросту не существует.
Эффект Холла проявляется в проводнике тем сильнее, чем меньше концентрация носителей заряда и больше подвижность. Вот почему металлы (на основе которых впервые был продемонстрировано само явление) вовсе не являются идеальным материалом для создания датчиков. В гораздо большей степени для этих целей годятся полупроводники. Одновременно это существенно снижает стоимость и повышает унификацию серийного производства.
Многих интересует, как именно работает датчик Холла. Давайте представим себе полосу полупроводника, вдоль которой протекает постоянный ток. В отсутствие внешних возмущений внутри существует некоторое электрическое поле, приводящее в движение носители заряда. Предположим, что теперь перпендикулярно поверхности полосы возникают линии постоянного магнитного поля. Возникающая сила Лоренца станет по правилу левой руки действовать на ход процесса. Напомним, что направление в этом случае определяется следующим образом: «Если поместить левую руку так, чтобы линии магнитного поля были перпендикулярны ладони, в вытянутые пальцы смотрели в направлении движения зарядов (в физике – положительно заряженных частиц, а не отрицательных электронов), то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет в сторону действия силы Лоренца».
Вы видите, что ничего загадочного эффект Холла в себе не несёт. Несмотря на то, что формула Лоренца была предложена на добрый десяток лет позже – в 1892 году – нежели люди узнали о том, что пластинка золота формирует разность потенциалов на своих торцах при протекании по ней постоянного электрического тока. А о влиянии магнитного поля на проводники ещё в 1831 году однозначно высказывался Майкл Фарадей, благодаря тайному поклоннику которого мир узнал о генераторах и двигателях. Да-да, и сегодня никто не знает, кем придуман первый мотор постоянного тока. А при обратном включении он же работает и в качестве генератора.
Читайте также: Автоматический выключатель
Эффект Холла был открыт в 1879 году на базе университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Эдвин пытался проверить теорию Кельвина, озвученную тридцатью годами ранее, и активно работал над изучением действия магнитного поля на золотую пластинку. Учёный также ввёл коэффициент, показывающий продуцируемый эффект в зависимости от произведения приложенного магнитного поля и протекающего тока. Очевидно, что эта величина зависит от свойств самого материала. Выше мы уже обсуждали этот момент.
Эффект Холла
Достоинства сенсоров Холла
Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:
- Долгий срок службы (для клавиатуры это 30 млрд. нажатий).
- Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что значительно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.
- Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.
- Достаточно простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.
- Достаточно широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).
- Высокая повторяемость измерений, что позволяет достаточно просто тарировать приборы на основе датчиков Холла.
Конструкция датчиков Холла
В ходе эксплуатации отлично себя показали такие традиционные полупроводниковые материалы, как арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет собой небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на всем протяжении стороны прямоугольника. А те, с которых снимается сигнал – самые обычные, точечные. Понятно, что в каждой схеме обычно имеется общая точка (нулевой провод, нейтраль), поэтому в общем и целом сумма контактов равняется трём. То есть отрицательные линии объединяются.
Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах существует, как правило, некоторый сигнал. Это объясняется вовсе не влиянием нашей планеты, как могли бы подумать некоторые читатели. Дело в том, что потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо же вовсе ориентироваться на точечные импульсы, что часто и делается на практике. Также для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся только изменение сигнала).
Особенности конструкции датчика
Толщина плёнки проводника обычно очень мала и едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку может использоваться способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с очень малой чувствительной площадью, что значительно повышает во многих случаях точность измерений, потому что поверхность невелика. В свою очередь, в приборах это используется для оценки положений деталей каких-либо механизмов. С другой стороны малогабаритные датчики имеют сравнительно низкий отклик, который измеряется в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла этот 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, и при каждом обороте вырабатывается определённое количество пиков. В результате электронная начинка может оценить не только скорость вращения, но и угловое положение ротора, что используется, например, в вентильных двигателях (с электронным переключением обмоток).
Мы должны в этом месте сделать отступление и объяснить, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Дело в том, что амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, потому что в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.
Читайте также: Разделительный трансформатор
Применение датчиков Холла
- Датчики Холла широко применяются в бытовой технике. Самые красноречивый пример – стиральные машины. Многие ломают головы над тем, как в продвинутых моделях производится взвешивание белья. В сети даже есть патенты, где при помощи каких-то пружин или тензодатчиков предлагается эту проблему решить в лоб. Понятно, что такие устройства не могут обладать большой надёжностью, потому что постоянно подвергались бы деформациям. Не говоря уже о том, что на бак обычно вешается пара-другая кирпичей, а значит, суммарный вес конструкции очень велик, что накладывается свои ограничения. Поэтому на практике в стиральных машинах белья сначала обильно увлажняется, а потом по скорости разгона барабана оценивается общая масса. Так и происходит взвешивание белья, которое в дальнейшем определяет программу работы оборудования, расход порошка, воды, ополаскивателя.
- В компьютерных клавиатурах датчики Холла впервые вошли в серийное производство. Обычно на подложке стоит чувствительный элемент, тогда как на клавише крепится магнит. Понятно, что никаких пружин внутри современной клавиатуры уже не имеется, а сила упругости создаётся за счёт полимеров с высоким сроком службы. Мы совершенно точно можем сказать, что решение очень и очень удачное: ломается обычно не датчик и даже не упругая механическая часть, выходит из строя контроллер.
- Датчик Холла можно применять для измерения силы тока (как в токовых клещах). Этот прибор может реагировать на изменение электромагнитного поля, которое всегда окружает провода. А этом случае создаётся так называемая обмотка возбуждения (обычная индуктивность из медной проволоки). Измеряемый ток подаётся на отводы и в результате образуется электромагнитная волна, часть которой может быть оценена датчиком Холла. Отклик зависит напрямую от измеряемой величины. Расчёт ведётся по формула, которые могут быть заложены, например, в контроллер. Для точности прибор тарируется заводом изготовителем. Причём сохраняются все упомянутые выше преимущества, прежде всего – отсутствие подвижных частей. Аналогичным образом при помощи датчиков Холла становится возможным измерение мощности.
Применение датчика
- Преобразование постоянного напряжение в переменное может являться примером создания генератора. Если датчик Холла находится в переменном магнитном поле, то напряжения на его выходе будет повторять эту форму. Другое дело, что КПД такого прибора не отличается высоким значением. Зато конструкция упрощается до максимума, кроме того становится возможным непосредственная передача формы магнитного поля электрическому току.
- В связи с описанными выше фактами нужно отметить, 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.
- 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, поэтому требуется ввод методов коррекции измерений. За счёт этого же эффекта иногда работают автоматические системы стабилизации изображения видеокамер мобильных устройств.
- Это не так общеизвестно, но порядка 52% доходности от выпуска датчиков Холла приходится на автомобильную промышленность. В этой отрасли требуется измерять частоты вращения колёс, коленчатого и распределительного валов. Многие читатели уже догадались, что датчик Холла поможет и с определением положения дроссельной заслонки, а также и руля. Именно автомобильный рынок является главной движущей силой для дальнейшего совершенствования приборов. Некоторые системы являются стандартом де-факто (ASIC, ASSP, ESC/ESP и пр.) на рыке, и датчики Холла принимают в них самое живое участие.
VashTehnik.ru
Датчик Холла принцип работы
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
