Датчики холла и их применение

Датчики холла и их применение

Сайт для радиолюбителей

Эффект Холла был открыт в 1879 г. американским ученым Эдвином Гербертом Холлом. Он занимался решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, возбуждаемой током, от наличия рядом с ней постоянного магнита. Проведя тысячи опытов, он обнаружил, что если направление магнитного поля перпендикулярно направлению тока в проводнике, то в поперечном
направлении (и к току, и к вектору индукции магнитного поля) появляется напряжение Uh, называемое напряжением
Холла (рис.1). Это напряжение определяется по следующей формуле: Uh = Rh H I sin w/d, где Rh — коэффициент Холла, который сильно зависит от материала проводника; Н — напряженность магнитного поля; I — ток в проводнике; w — угол между направлением тока и вектором индукции магнитного поля (если w = 90°, sin w = 1); d — толщина материала.

Открытие Холла потрясло современников тем, что он ухитрился измерить сверхмалые напряжения, так как использованный им материал (золотая пластинка) имел очень малый коэффициент Rh. По этой причине эффект Холла оставался лабораторным курьезом и не находил применения вплоть до середины нашего столетия, когда были открыты материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент Rh. К этим материалам относятся: сверхчистый германий или кремний, сплав магния, цинка и кобальта, арсенид индия, антимонид индия, арсенид галлия. Чаще всего в настоящее время используется арсенид индия, так как он имеет низкий температурный коэффициент (менее — 0,1%/°С) и низкое электрическое сопротивление.

Датчик Холла по сравнению с другими датчиками имеет уникальную особенность: выходной эффект определяется произведением входных эффектов.
Благодаря этому области применения датчиков Холла обширны. Перечислим некоторые из них:
1) считывание данных с магнитных карточек;
2) датчики приближения;
3) датчики скорости вращения;
4) измерение мощности;
5) перемножители;
6) измерение магнитного поля;
7) измерение тока;
8) линейные (угловые) преобразователи;
9) магнитные головки;
10) измерение воздушных зазоров;
11) измерение температуры.

Поскольку напряжение Холла невелико, к выводам напряжения Холла обычно подключают операционный усилитель ОУ (рис.2,а).

Если к выходу ОУ подключить триггер Шмитта (рис.2,б), то схему можно подключить к цифровым узлам. Эта схема представляет собой пороговое устройство, срабатывающее при определенном уровне напряженности магнитного поля (иногда его называют переключателем Холла).

Датчики Холла обычно используют в паре с постоянными магнитами. В варианте рис.2,б датчик срабатывает при приближении постоянного магнита на определенное расстояние. Если закрепить постоянный магнит, например, на вращающемся валу, то можно построить счетчик оборотов вала. Можно и не закреплять магнит на движущейся ферромагнитной детали. На рис.3 показана
схема взаимодействия, при которой деталь (например, лопасть винта) экранирует магнитное поле постоянного магнита. Обычно датчики Холла срабатывают при магнитном потоке 100-200 Гс.

Выпускают трехвыводные датчики Холла (рис.4,а). В корпусе датчика Холла устанавливают n-p-n транзистор с открытым коллектором. На рис.4,б показана схема подключения такого датчика Холла к логическому КМОП-элементу. На рис.4,в показана схема подключения светодиода к датчику Холла.

Обычно ток через транзистор датчика не должен превышать 20 мА. Учитывая падение напряжения на светодиоде порядка 1,5 В, можно рассчитать сопротивление резистора: R = (12 — 1,5)В/0,02 А = 525 Ом (выбираем близкое значение из стандартного ряда 560 Ом). Для подключения мощной нагрузки необходимо установить усилитель тока. На рис.5 показано включение нагрузки в сети переменного тока через мощный симистор.

Ток управляющего электрода симистора 80 мА формируется в дополнительном транзисторе — усилителе тока.

Обычно магнитное поле проводника с током недостаточно интенсивное для работы датчика Холла. Чувствительность
датчиков Холла составляет 1…5 мВ/Гс. Магнитная индукция проводника с током оценивается по формуле В (Гаусс) =I(А)/4пr(дюймов), где r — расстояние от оси проводника. Поэтому для измерения слабых токов применяют конструкцию рис.6, в которой проводник с током обвивает тороидальный сердечник с зазором, в зазоре устанавливают датчик Холла. При зазоре 1,5 мм магнитная индукция составит 6 Гс/А. Для измерения сильных токов (более 25 А) применяют конструкцию рис.7, в которой проводник с током пропускают через тороидальный сердечник. Материал сердечника — альсифер или (на высоких частотах) феррит.

Читайте также:  Электроручник Тормозные системы HPB

На переключателе Холла можно построить токовое реле. Магнитное поле катушки с током замыкается через переключатель Холла (рис.8). Если порог срабатывания переключателя Холла составляет 200 Гс, то количество витков катушки для заданного тока I рассчитывают по формуле N = 33/I (А). Например, для тока 100 мА необходимо намотать 330 витков.

В табл.1 приведены параметры датчиков Холла фирмы Allegro MicroSystems,Inc.

В табл.2 приведены параметры датчиков Холла фирмы Honeywel

Датчик Холла

Что такое датчик Холла

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

Эффект Холла

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

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

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

Supply Voltage – напряжение питания датчика

Voltage Regulator – регулятор напряжения

Hall Sensor – собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch – выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также:  Пуск трёхфазного двигателя без конденсаторов 4 схемы Блог домашнего электрика

Цифровые датчики Холла

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

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

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

Униполярные

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

Биполярные

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

Как проверить датчик Холла

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

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

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

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

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

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

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

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

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

А вот и видео работы

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

Применение датчиков Холла

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

Применение линейных датчиков

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

Применение цифровых датчиков

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

Заключение

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

Датчик Холла принцип работы и его типы

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.

Читайте также:  Все ли логотипы марки Toyota вы знаете давайте проверим

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?

Ссылка на основную публикацию
Датчик температуры двигателя — Volkswagen Polo Sedan, л, года на DRIVE2 — АвтоВызов
Где показывает температуру на фольксвагене поло Фольксваген Polo sedan (Поло седан). Евгений родственник купил поло седан,неможем понять где и как...
Дата выпуска аккумулятора — как узнать год выпуска аккумулятора по маркировке
Аккумулятор Mutlu Как узнать дату выпуска и расшифровать маркировку Аккумуляторы Mutlu являются очень популярными в нашей стране. Производитель батарей под...
Дата выхода и характеристики нового Тойота Прадо 2020 года
Тойота Ленд Крузер 300 - первые фото и характеристики нового Toyota Land Cruiser 2020 Японское издание Best Car раздобыло информацию...
Датчик температуры охлаждающей жидкости ВАЗ 2114, замена своими руками и признаки неисправности ДТОЖ
Почему горит лампочка давления масла ВАЗ 21142115 как определить причину и устранить неисправность Одним из параметров работы двигателя считается давления...
Adblock detector