Датчики холла: Датчик Холла | Виды, принцип работы, как проверить

Датчик Холла | Виды, принцип работы, как проверить

Что такое датчик Холла

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

Эффект Холла

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

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

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

где

Supply Voltage – напряжение питания датчика

Ground – земля

Voltage Regulator – регулятор напряжения

А – операционный усилитель

Hall Sensor – собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch – выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

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

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

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

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

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

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

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

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

Цифровые датчики Холла

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

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

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

Униполярные

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

Биполярные

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

Как проверить датчик Холла

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

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

[quads id=1]

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

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

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

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

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

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

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

А вот и видео работы

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

Применение датчиков Холла

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

Применение линейных датчиков

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

Применение цифровых датчиков

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

Заключение

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

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.

возвращение квадратурных энкодеров / Хабр

Это уже третья статья, рассказывающая о квадратурных декодерах, на сей раз с применением к управлению бесколлекторными двигателями.
Задача: есть обычный китайский бесколлекторник, нужно его подключить к контроллеру Copley Controls 503. В отличие от копеечных коптерных контроллеров, 503й хочет сигнал с датчиков холла, которых на движке нет. Давайте разбираться, для чего нужны датчики и как их ставить.
В качестве иллюстрации я возьму очень распространённый двигатель с двенадцатью катушками в статоре и четырнадцатью магнитами в роторе. Вариантов намотки и количества катушек/магнитов довольно много, но суть всегда остаётся одной и той же. Вот фотография моего экземпляра с двух сторон, отлично видны и катушки, и магниты в роторе:


Чтобы было ещё понятнее, я нарисовал его схему, полюса магнитов ротора обозначены цветом, красный для северного и синий для южного:

На датчики холла пока не обращайте внимания, их всё равно нет 🙂

Что будет, если подать плюс на вывод V, а минус на вывод W (вывод U не подключаем ни к чему)? Очевидно, будет течь ток в катушках, намотанных зелёным проводом. Катушки намотаны в разном направлении, поэтому верхние две катушки будут притягиваться к магнитам 1 и 2, а нижние две к магнитам 8 и 9. Остальные катушки и магниты в такой конфигурации роли практически не играют, поэтому я выделил именно магниты 1,2,8 и 9. При такой запитке мотора он очевидно крутиться не будет, и будет иметь семь устойчивых положений ротора, равномерно распределённых по всей окружности (левая верхняя зелёная катушка статора может притягивать магниты 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13).

Давайте записывать наши действия вот в такую табличку:



Угол поворота ротораUVW
n.c.+

А что будет, если теперь подать плюс на U и минус на W? Красные катушки притянут к себе магниты 3,4,10 и 11, таким образом чуть-чуть повернув ротор (я по-прежнему выделяю магниты, за которые ротор тянет):

Давайте посчитаем, на сколько повернётся ротор: между щелями магнитов 1-2 и 3-4 у нас 51.43° (=360°*2/7), а между соответствующими щелями в статоре 60° (=360°/12*2). Таким образом, ротор провернётся на 8.57°. Обновим нашу табличку:



Угол поворота ротораUVW
8.57°+n.c.

Теперь сам бог велел подать + на U и — на V!



Угол поворота ротораUVW
17.14°+n.c.

Теперь опять пора выровнять магниты с зелёными катушками, поэтому подаём напряжение на них, но красный и синий магниты поменялись местами, поэтому теперь нужно подать обратное напряжение:



Угол поворота ротораUVW
25.71°n.c.+

C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:



Угол поворота ротораUVW
34.29°n.c.+



Угол поворота ротораUVW
42.85°+n.c.

Если мы снова повторим самый первый шаг, то наш ротор провернётся ровно на одну седьмую оборота. Итак, всего у нашего мотора три вывода, мы можем подать напряжение на два из них шестью разными способами 6 = 2*C23, причём мы их все уже перебрали. Если подавать напряжение не хаотично, а в строгом порядке, который зависит от положения ротора, то двигатель будет вращаться.

Запишем ещё раз всю последовательность для нашего двигателя:








Угол поворота ротораUVW
n.c.+
8.57°+n.c.
17.14°+n.c.
25.71°n.c.+
34.29°n.c.+
42.86°+n.c.

Есть один нюанс: у обычного коллекторного двигателя за переключение обмоток отвечают щётки, а тут нам надо определять положение ротора самим.
Теперь давайте поставим три датчика холла в те чёрные точки, обозначенные на схеме. Давайте договоримся, что датчик выдаёт логическую единицу, когда он находится напротив красного магнита. Всего существует шесть (сюрприз!) возможных состояний трёх датчиков: 23 — 2. Всего возможных состояний 8, но в силу расстояния между датчиками они не могут все втроём быть в логическом нуле или в логической единице:

Обратите внимание, что они генерируют три сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 периода. Кстати, электрики используют слово градусы, говоря про 120°, чем окончательно запутывают нубов типа меня. Если мы хотим сделать свой контроллер двигателя, то достаточно читать сигнал с датчиков, и соответственно переключать напряжение на обмотках.

Для размещения датчиков я использовал вот такую платку, дизайн которой взял тут. По ссылке лежит проект eagle, так что я просто заказал у китайцев сразу много подобных платок:

Эти платки несут на себе только три датчика холла, больше ничего. Ну, по вкусу можно поставить конденсаторы, я не стал заморачиваться. Очень удобно сделаны длинные прорези для регулировки положения датчиков относительно статора.

Постойте, но ведь это очень похоже на квадратурный сигнал с обычного инкрементального энкодера!

Ещё бы! Единственная разница, что инкрементальные энкодеры дают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90°, а у нас три сигнала, сдвинутые на 120°. Что будет, если завести любые два из них на обычный квадратурный декодер, например, той же самой синей таблетки? Мы получим возможность определять положение вала с точностью до четырёх отсчётов на одну седьмую оборота, или 28 отсчётов на оборот. Если вы не поняли, о чём я, прочтите принцип работы квадратурного декодера в первой статье.

Я долго думал, как же мне использовать все три сигнала, ведь у нас происходит шесть событий на одну седьмую оборота, мы должны иметь возможность получить 42 отсчёта на оборот. В итоге решил пойти грубой силой, так как синяя таблетка имеет кучу аппаратных квадратурных декодеров, поэтому я решил в ней завести три счётчика:

Видно, что при каждом событии у нас увеличиваются два из них, поэтому сложив три счётчика, и поделив на два, мы получим равномерно тикающий определитель положения вала, с точностью до 6*7 = 42 отсчёта на оборот!

Вот так выглядит макет подключения датчиков Холла к синей таблетке:

В некоторых приложениях (например, для коптеров) все эти заморочки не нужны. Контроллеры пытаются угадать происходящее с ротором по току в катушках. С одной стороны, это меньше заморочек, но с другой стороны, иногда приводит к проблемам с моментом старта двигателя, поэтому слабоприменимо, например, в робототехнике, где нужны околонулевые скорости. Давайте попробуем запитать наш движок от обычного китайского коптерного ESC (electronic speed controller).

Мой контроллер хочет на вход PPM сигнал: это импульс с частотой 50Гц, длина импульса задаёт обороты: 1мс — останов, 2мс — максимально возможные обороты (считается как KV двигателя * напряжение).

Вот здесь я выложил исходный код и кубовские файлы для синей таблетки. Таймер 1 генерирует PWM для ESC, таймеры 2,3,4 считают соответствующие квадратурные сигналы. Поскольку в прошлой статье я крайне подробно расписал, где и что кликать, то здесь только даю ссылку на исходный код.

На вход моему ESC я даю пилообразное задание скорости, посмотрим, как он его отработает. Вывод синей таблетки лежит тут, а код, который рисует график, тут.

Поскольку у меня двигатель имеет номинал 400KV, а питание я подал 10В, то максимальные обороты должны быть в районе 4000 об/мин = 419 рад/с. Ну а вот и график подоспел:

Видно, что реальные обороты соответствуют заданию весьма приблизительно, что терпимо для коптеров, но совершенно неприменимо во многих других ситуациях, почему, собственно, я и хочу использовать более совершенные контроллеры, которым нужны сигналы с датчиков холла. Ну и бонусом я получаю угол поворота ротора, что бывает крайне полезно.

Я провёл детство в обнимку с этой книжкой, но раскурить принципы работы бесколлекторников довелось только сейчас.

Оказывается, что шаговые моторы и вот такое коптерные моторчики — это (концептуально) одно и то же. Разница лишь в количестве фаз: шаговики (обычно, бывают исключения) управляются двумя фазами, сдвинутыми на 90°, а бесколлекторники (опять же, обычно) тремя фазами, сдвинутыми на 120°.

Разумеется, есть и другие, чисто практические отличия: шаговики рассчитаны на увеличение удерживающего момента и повторяемость шагов, в то время как коптерные движки на скорость и плавность вращения, что сказывается на количестве обмоток, подшипниках и т.п. Но в итоге обычный бесколлекторник можно использовать в шаговом режиме, а шаговик в постоянном вращении, управление у них будет одинаковым.

Update: красивая анимация от Arastas:

Датчики Холла Si72xx компании Silicon Labs

Датчики Холла Si72xx компании Silicon Labs

Компания Silicon Labs выпускает три линейки интегральных датчиков магнитного поля на эффекте Холла серии Si72xx. Они предназначены для реализации разнообразных датчиков и детекторов положения и перемещения. В сравнении с аналогичными решениями других производителей датчики Si72xx выделяются минимальным энергопотреблением и высокой чувствительностью.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Среди датчиков Si72xx есть как типовые микросхемы с базовыми функциями, так и решения с различными дополнительными модулями, среди которых

  • встроенный датчик температуры, схема термокомпенсации,
  • поддержка режима пониженного энергопотребления,
  • встроенный цифровой фильтр,
  • функция автокалибровки (self-test),
  • блок контроля вмешательства (tamper detection), детектирующий аномально высокое магнитное поле,
  • цифровой интерфейс I²C для чтения данных и настройки параметров датчика.

На данный момент датчики доступны в корпусах SOT23 с тремя или с пятью выводами. В ближайшем будущем будут выпущены модели в корпусах DFN-8 и TO-92.

Датчики серии SI72xx чувствительны к магнитному полю, приложенному перпендикулярно к плоскости корпуса. Допустимые варианты расположение датчика относительно магнитного поля приведены на рисунках. Для детекторов движения, угла поворота, для контроля магнитного поля в 3D пространстве используют два или три датчика.

Датчики Холла SI72xx представлены следующими типами:

  • Биполярная защелка с гистерезисом (Триггер, Latch)

  • Униполярный пороговый с гистерезисом и детектором вмешательства (Ключ, Unipolar Switch)

  • Омниполярный пороговый с гистерезисом и детектором вмешательства (Ключ, Omnipolar Swith)

  • Линейный с аналоговвым выходом
  • Линейный с ШИМ-выходом
  • Линейный с SENT-выходом

СЕРИЯ SI720X — ЦИФРОВЫЕ КЛЮЧИ И ТРИГГЕРЫ

Датчики Холла серии Si720x производят измерения в определенной частотой и формируют выходной сигнал согласно измеренному уровню магнитного поля в зависимости от запрограммированных порогов. Si720x имеют один либо два информационных выхода.

Датчики Si720x выпускаются как в 3-выводном, так и в 5-выводном корпусе. Трехвыводные датчики имеют линии питания, земли и линию выхода, в то время как для датчиков в 5-выводном корпусе доступны два дополнительных сигнала:

  • Первый дополнительный вывод служит для перевода микросхемы в режим сна (DIS)
  • Второй вывод служит для сигнала блока контроля вмешательства (TAMPERb)

У 3-выводных датчиков Холла с поддержкой функции tamper detection при превышении порога детектора вмешательства на выходе выставляется «0».

Документация на серию доступна на сайте производителя.















Тип датчикаКоличество выводов

Выходной сигнал

Частота измеренийИндукция срабатывания

Bop, индукция отпускания, Brp
Si7201-003

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход Push-pull

5 ГцBop = ±1.1 мТ (max)

Brp = ±0.2 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7201-01
Si7201-02Bop = ±0.9 мТ (max)

Brp = ±0.2 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.2 (typ)
Si7201-03Bop = ±2.8 мТ (max)

Brp = ±1.1 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7201-041 ГцBop = ±1.4 мТ (max)

Brp = ±0.2 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7201-055 ГцBop = ±2.0 мТ (max) Brp = ±0.6 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7201-06

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход открытый коллектор

Si7201-07
Si7201-08Bop = ±2.8 мТ (max)

Brp = ±1.1 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.6 (typ)
Si7202-00

Биполярная защелка с гистерезисом, выход Push-pull

Bop = +0.65 мТ (max) Bop = +0.15 мТ (min)

Brp = -0.65 мТ (max) Brp = -0.15 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.8 (typ)
Si7202-01Bop = +1.4 мТ (max) Bop = +0.6 мТ (min)

Brp = -1.4 мТ (max) Brp = -0.6 мТ (min)

| Bop — Brp | = 2.0 (typ)
Si7203-005

Омниполярный пороговый с гистерезисом, выход открытый коллектор

1 кГцBop = ±1.1 мТ (max)

Brp = ±0.2 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7204-00

Биполярная защелка с гистерезисом, выход Push-pull

Bop = +1.1 мТ (max) Bop = +0.6 мТ (min)

Brp = -1.1 мТ (max) Brp = -0.6 мТ (min)

| Bop — Brp | = 1.8 (typ)
















Тип датчикаДополнительные функцииНапряжение питанияПотребляемый токРабочий

диапазон

температур
Блок tamper detectionСхема температурной

компенсации
Встроенный

датчик

температуры
Поддержка

автокалибровки
Цифровой фильтрРежим

измерений
Режим сна
Si7201-00нетнетнетнетнет1.7 — 3.6 В

5 мА

@

Vdd = 3.3 В

0 .. 70 °C

или

-40 .. 125 °C

Si7201-01да, порог ±19.8 мТ
Si7201-02да (0.12%/°C)да (FIR с выборкой 4)
Si7201-03нетнетнет1.7 — 5.5 В
Si7201-04
Si7201-05да, порог ±19.8 мТ
Si7201-06нет
Si7201-07да, порог ±19.8 мТ
Si7201-08нет
Si7202-001.7 — 3.6 В
Si7202-011.7 — 5.5 В
Si7203-00да, порог ±19.8 мТ1.7 — 3.6 В

от 50 нА

Si7204-00нет

СЕРИЯ SI721X — ДАТЧИКИ ХОЛЛА С ЛИНЕЙНЫМ ВЫХОДОМ

Датчики серии Si721x работают на фиксированной частоте и имеют один выход. Доступно три типа выходного сигнала:

  • аналоговый
  • ШИМ-сигнал
  • однопроводной протокол SENT

Датчики Si721x выпускаются как в 3-выводном, так и в 5-выводном корпусе. Трехвыводные датчики имеют линии питания, земли и линию выхода, в то время как для датчиков в 5-выводном корпусе доступны два дополнительных сигнала:

  • Первый дополнительный вывод служит для перевода микросхемы в режим сна (DIS)
  • Второй вывод служит для запуска функции автокалибровки (BIST)

Документация на серию доступна на сайте производителя.






Тип датчикаКоличество выводовВыходной сигналЧастота измеренийИндукция срабатывания Bop,

индукция отпускания, Brp
Si7211-013Аналоговый7 кГц
Si7212-00выход Push-pull, ШИМ-сигнал300 Гц
Si7213-00выход открытый коллектор, SENT-сигнал *1 кГц
Si7217-0157 кГц

* SENT (Single Edge Nibble Transmission) — это однонаправленный асинхронный протокол, распространенный в автомобильной промышленности. Описание стандартна доступно в документации на Si721x, а также на сайте standards.sae.org.








Тип датчикаДополнительные функцииНапряжение питанияПотребляемый токРабочий диапазон температур
Блок tamper detectionСхема

температурной

компенсации
Встроенный

датчик

температуры
Поддержка

автокалибровки
Цифровой

фильтр
Режим

измерений

@ Vdd = 3.3 В
Режим

сна
Si7211-01нетнетнетнетда (FIR с выборкой 16)2.25 — 5.5 В5.5 мА-40 .. 125 °C
Si7212-001.7 — 5.5 В5.0 мА
Si7213-00да, через установку «0» на линии выходного сигнала
Si7217-01да, через отдельный вывод2.25 — 5.5 В7.0 мА

СЕРИЯ SI7210 С ПОДДЕРЖКОЙ I2C И ВСТРОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ

По сравнению с другими датчиками Холла Silicon Labs, датчики серии Si7210 имеют наиболее широкий набор функций.

Микросхемы данной серии оснащены цифровым интерфейсом I²C, который используется как для чтения данных, так и для изменения конфигурации датчика. На шине I²C также доступен сигнал с датчика температуры.

Датчики Si7210 выпускаются только в 5-выводном корпусе. Помимо линии питания, земли и двух линий шины I²C эти микросхемы дополнительную линию. Дополнительный вывод может использоваться как аналоговый выход или как цифровой выход, который можно использовать как сигнал прерывания для управляющего микроконтроллера.

Настройка датчика Si7210 по интерфейсу I²C позволяет

  • изменять границы диапазона измерений
  • изменять режим работы и состояние дополнительного выхода
  • настраивать длительность режима сна (позволяет снизить энергопотребление до 50 нА в зависимости от температуры)
  • настраивать порог срабатывания блока контроля вмешательства (tamper detection)
  • включать цифровой фильтр для подавления шумов на выходе, выбирать тип фильтра (FIR или IIR) и размер выборки (от 2 до 212)
  • настраивать частоту измерений
  • настраивать параметры схемы температурной компенсации
  • включать встроенную на чип катушку, которая создаёт магнитное поле достаточной силы для выполнения калибровки (self-test) датчика *

* Калибровочные параметры могут быть запрограммированы во встроенную энергонезависимую память датчика

Документация на серию доступна на сайте производителя.










Тип датчикаКоличество выводовВыходной сигналЧастота измеренийИндукция срабатывания Bop,

индукция отпускания, Brp
Основной выходДополнительный выход
Режим работыДоп. выход в режимах 2, 3, 4
Si7210-005I²C

Режим выбирается через I²C:


  1. Аналоговый выход
  2. Биполярная защелка с гистерезисом
  3. Униполярный пороговый с гистерезисом
  4. Омниполярный пороговый с гистерезисом
выход Push-pullНастраивается через I²CBop = ±1.1 мТ (max)

Brp = ±0.2 мТ (min)

| Bop — Brp | = 0.4 (typ)
Si7210-01выход открытый коллектор
Si7210-02выход Push-pull
Si7210-03
Si7210-04
Si7210-05









Тип датчикаДополнительные функцииНапряжение питания

Потребляемый ток

Рабочий диапазон температур
Блок tamper detectionСхема температурной компенсацииВстроенный датчик температурыПоддержка автокалибровкиЦифровой фильтрРежим

измерений
Режим

сна
Si7210-00да, порог настраивается через I²Cдада, доступен на I²C

Точность ±1.0 °C
дада (FIR или IIR)

Тип и выборка настраивается через I²C
1.7 — 5.5 В5.0 мА

@

3.3 В
от 50 нА-40 .. 125 °C
Si7210-01
Si7210-02да, доступен на I²C

Точность ±4.0 °C
Si7210-03нет
Si7210-04
Si7210-05

СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ АРТИКУЛА

Полный артикул датчика кодируется следующим образом:








Тип датчика (см. таблицы выше)
Ревизия микросхемы:

• A, B и т.д.
Тип датчика (см. таблицы выше)
Рабочий диапазон температур:

• I —  от -40 до +125°C

• F —  от 0 до +70°C
Корпус:

• B — TO92

• M — DFN8

• V — SOT23
Упаковка:

• _ — стандартная

• R — лента
Si7210-B-00-IV-R

Так, например, датчик типа Si7210-00 в корпусе SOT23 и с рабочим диапазоном температур -40 до +125°C будет иметь код для заказа Si7210-B-00-IV-R.

СРЕДСТВА ОТЛАДКИ

Для знакомства с датчиками Холла серии Si72xx и для разработки приложений на базе этих датчиков предлагается набор Si72xx-WD-Kit.

В набор входят следующие компоненты:

  • Отладочная плата для микроконтроллеров EFM32 Happy Gecko с предустановленными демо-программами
  • Плата-расширение Wheel Demo EXP board, на которой установлено колесо прокрутки и два датчика Холла под углом 90 градусов друг к другу
  • 6 дочерних плат с датчиками Si72xx разных типов
  • 2 магнита
  • USB-кабель
  • кабели для подключения дочерних плат

Наличие на складе

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.

Датчик Холла — описание, схема, как проверить и заменить

Датчик Холла – это один из важнейших элементов бесконтактной системы зажигания бензиновых двигателей. Малейшая неисправность этой детали приводит к серьезным неполадкам в работе мотора. Поэтому, чтобы не допустить ошибки при диагностике, важно знать, как проверить датчик Холла, и при необходимости – уметь его заменить.

Этот материал мы разделили на две части: теоретическую (назначение, устройство и принцип работы датчика Холла) и практическую – признаки неисправности, методы проверки и способы замены.

В конце статьи смотрите видео-инструкцию по самостоятельной замене Датчика Холла.

А перед тем, как проверять датчик Холла на наличие неисправностей, давайте разберемся с его назначением и принципом работы.

Что такое датчик Холла и как он работает

Датчик Холла (он же датчик положения распредвала) является одним из главных элементов трамблера (прерывателя-распределителя). Он находится рядом с валом трамблера, на котором крепится магнитопроводящая пластина, похожая на корону. В пластине столько же прорезей, сколько цилиндров в двигателе. Также внутри датчика находится постоянный магнит.

Принцип работы датчика Холла следующий: когда вал вращается, металлические лопасти поочередно проходят через прорезь в датчике. В результате этого вырабатывается импульсное напряжение, которое через коммутатор попадает в катушку зажигания и, преобразуясь в высокое напряжение, подается на свечи зажигания.

Датчик Холла имеет три клеммы:

  • одна соединяется с «массой»,
  • ко второй подходит плюс с напряжением около 6 В,
  • с третьей клеммы уходит преобразованный импульсный сигнал на коммутатор.

Признаки неисправности датчика Холла

Неисправности у датчика Холла проявляются по-разному. Даже опытный мастер не всегда сразу выявит причину неполадок двигателя.

Вот несколько самых распространенных симптомов:

  1. Мотор плохо заводится или не запускается вообще.
  2. На холостом ходу в работе двигателя появляются перебои и рывки.
  3. Машина может дергаться при движении на повышенных оборотах.
  4. Силовой агрегат глохнет во время движения.

При появлении одного из этих признаков, необходимо в первую очередь проверить исправность датчика Холла.

Также не стоит исключать из вида и другие неисправности системы зажигания, встречающиеся в автомобилях.

Как проверить датчик Холла

Простой способ проверки датчика положения распредвала (Холла) показан на следующем видео.

Существует несколько способов, позволяющих проверить исправность датчика Холла. Каждый автомобилист может выбрать для себя наиболее подходящий вариант:

  1. Взять для проверки рабочий датчик у соседа или на автомобильной разборке и установить его вместо «родного». Если проблемы двигателя исчезнут, значит, придется покупать новую деталь.
  2. При помощи тестера можно измерить напряжение на выходе датчика. В исправном устройстве напряжение будет изменяться от 0,4 В до 11 В.
  3. Можно создать имитацию датчика Холла. Для этого с трамблера снимают трехштекерную колодку. Затем включают зажигание и отрезком провода соединяют выходы 3 и 6 коммутатора. Появление искры свидетельствует о выходе датчика из строя.

Если в результате проверки обнаружится, что датчик Холла неисправен, тогда его необходимо заменить на новый.

Замена датчика Холла

Заменить датчик Холла не составит особых затруднений. С этой работой под силу справится своими руками даже начинающему автолюбителю.

Чуть ниже на видео достаточно подробно показан процесс замены датчика в трамблере автомобиля УАЗ.

Обычно замена датчика Холла состоит из нескольких этапов:

  • Прежде всего, трамблер снимается с машины.
  • Далее снимается крышка трамблера и совмещается метка механизма газораспределения с меткой коленвала.
  • Запомнив положение трамблера, нужно открутить крепежные элементы гаечным ключом.
  • При наличии фиксаторов и стопоров, их также следует извлечь.
  • Вал вытаскивают из трамблера.
  • Осталось отсоединить клеммы датчика Холла и открутить его.
  • Оттянув регулятор, неисправная деталь осторожно вынимается через образованную щель.
  • Новый датчик Холла устанавливается в обратной последовательности.

Проверка работоспособности датчика Холла позволяет не только точно определить причину отказа двигателя. Благодаря простым приемам автомобилист сэкономит свое время на ремонт, а также исключит ненужную трату денег.

Видео, как заменить датчик Холла своими руками

мир электроники — Датчик Холла

Электронные компоненты

материалы в категории

Что такое датчик Холла и как он работает

В 1879 году Эдвин Холл открыл удивительный эффект (его впоследствии так и назвали- Эффект Холла): если в магнитное поле поместить пластину с подключенным к нему постоянным током то под воздействием магнитного поля на краях этой пластины начинают скапливаться заряды.

На рисунке выше:
1. проводник с потоком электронов от источника постоянного тока
2. Пластина-датчик
3. Магниты
4.  Магнитное поле
5. Источник тока.
Как видно на рисунке- поток электронов под воздействием магнитного поля сместился к одному краю и получилось что заряженный потенциал на этом крае пластины оказался выше чем на другом.

Открытие Эффекта Холла позволило создать датчик (его назвали Датчик Холла), который позволяет измерять магнитное поле.

Область применения Датчиков Холла

Чаще всего Датчики Холла применяют в устройствах контроля вращения: на вращающийся механизм устанавливаются магниты и при помощи датчика Холла можно следить за частотой вращения (например с целью контроля скорости вращения или регулировки).

Основное достоинство датчика Холла заключается в его гальванической развязке: он может устанавливаться в не зависимости от измеряемого устройства- было-бы магнитное поле.

Примеры практического применение датчика Холла

В автомобильных системах зажигания.

Здесь он отслеживает частоту вращения вала распределителя для управления системой зажигания (на рисунке это элемент под названием К-97).

В радиоаппаратуре датчики Холла применялись для отслеживания частоты вращения двигателей с целью точной подстройки скорости вращения: в основном в видеомагнитофонах а также на некоторых кассетных магнитофонах высокого класса например Вега- МП122. Выглядят там датчики Холла так (расположены между катушек)

Как проверить датчик Холла

Проверка датчика Холла не очень сложная процедура: достаточно просто вспомнить о его основном свойстве: он реагирует на изменяющееся магнитное поле. То есть при изменении магнитного поля на его выходах будет меняться потенциал.

Поэтому: если речь идет о проверке датчика Холла в радиоэлектронном устройстве (видеомагнитофон или магнитофон), то достаточно просто подключиться осциллографом к выводам датчика Холла и крутануть вал электродвигателя. При исправном датчике мы увидим на выходе изменяющее напряжение.

Проверка датчика Холла на автомобиле так-же не сильно сложная процедура: все требуется лишь отвертка, вольтметр с пределом измерения 15 В или контрольная лампа на 12 Вольт.

Подключите согласно приведенной схеме вольтметр или контрольную лампу. Включите зажигание (не пуская двигатель) и медленно вращайте коленчатый вал двигателя за болт крепления шкива коленчатого вала. Напряжение должно резко меняться от 0,4 до 8 В (min). Контрольная лампа должна мигать. Если этого не происходит, датчик Холла неисправен.

Как работают датчики на эффекте Холла

Как работают датчики на эффекте Холла.

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 13 августа 2020 г.

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

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

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

Что такое эффект Холла?

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

Фото: вы не видите магнитное поле, но можете измерить его с помощью эффекта Холла.фото
любезно предоставлено Wikimedia Commons.

«Если электрический ток в фиксированном проводе
сам притягивается магнитом, ток должен проходить с одной стороны провода … »

Эдвин Холл , 1879

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

Как работает эффект Холла?

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

Куда они идут?

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

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

Использование эффекта Холла

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

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


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

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

Для чего используются датчики на эффекте Холла?

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

Датчики на эффекте Холла

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

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

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

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

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний
Бездыханный: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

Статьи

История
  • [PDF] Открытие эффекта Холла Дж.S. Leadstone, Physics Education, Volume 14, 1979. Как Холл открыл свой эффект и выяснил, что он означает, оспаривая некоторые из более ранних работ Джеймса Клерка Максвелла.
Статьи Эдвина Холла
  • О новом действии магнита на электрические токи.
    Эдвин Х. Холл, Американский журнал математики, Vol. 2, No. 3 (сентябрь 1879 г.), стр. 287–292. Оригинальная статья Холла.
  • Объяснение феномена Холла Эдвином Х. Холлом,
    Наука, Vol. 3, No. 60 (мар.28, 1884), стр. 386–387. Собственное описание и объяснение Холла своего первоначального эксперимента.
  • Теория эффекта Холла и связанного с ним эффекта для некоторых металлов, Эдвин Х. Холл, PNAS USA, Vol. 9, No. 2 (15 февраля 1923 г.), стр. 41–46. Одна из более поздних работ Холла.

Книги

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

Практические проекты

Видео

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

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

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

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

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

Цитировать эту страницу

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

Больше на нашем сайте …

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 магнитным полем информацию, такую ​​как положение, расстояние и скорость, чтобы электронные схемы могли ее обработать. Как правило, они классифицируются в зависимости от способа выпуска продукции или средств работы.

Классификация выходов

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 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 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 синусоидальные и косинусоидальные измерения магнитного поля, а 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 приложениях.

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 объединяет различные типы датчиков на эффекте 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 двигателями 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 при технологических операциях с нефтью и газом.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 конструкции:

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

Аналоговые датчики используются для:

  • Освещение с датчиком движения
  • Камеры обнаружения 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:

  • Накопители
  • Защита 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 эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла

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

Обзор


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

Что такое эффект Холла?


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

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

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

Датчики на эффекте Холла

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

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

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

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

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

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

Магнитные датчики и магнитные переключатели Alps Alpine

Магнитные датчики используются для изменения электрических сигналов после обнаружения магнитного состояния.
Существуют различные типы магнитных датчиков, типичными из которых являются датчики Холла и MR-датчики.
Как подразумевается, датчики Холла используют эффект Холла, а датчики MR используют эффекты магнитосопротивления (MR).
Эффект Холла — это возникновение напряжения Холла при приложении магнитного поля к элементу Холла, тогда как эффекты магнитосопротивления — это изменения электрического сопротивления элемента MR при приложении магнитного поля к элементу.
Магнитные датчики Alps Alpine — это MR-датчики.

Датчики Холла и MR-датчики используют характеристики элементов Холла и MR-элементов соответственно для преобразования изменений магнетизма в электрический сигнал.

Разница между датчиками Холла и датчиками MR

Датчик Холла определяет силу перпендикулярного к нему магнитного поля, тогда как датчик MR определяет угол параллельного магнитного поля.
По этой причине MR-датчики обычно имеют более широкую обнаруживаемую область, которая поглощает ошибки компоновки.

Датчики Alps Alpine MR также имеют отличное соотношение сигнал / шум, поскольку выходной сигнал как минимум в 10 раз выше, чем у датчика Холла.

Конструкция магнитного переключателя Alps Alpine

Магнитный переключатель — это переключатель, совмещенный с магнитом, который использует вышеуказанные характеристики MR-датчика.

Характеристики магнитных переключателей Alps Alpine

Помимо упомянутой выше обнаруживаемой области и отношения сигнал / шум, магнитные переключатели Alps Alpine обладают меньшим разбросом чувствительности, чем датчики Холла, что обеспечивает стабильность даже при колебаниях температуры.

Линейка магнитных переключателей Alps Alpine

Магнитные переключатели Alps Alpine выпускаются в нескольких вариантах в зависимости от способа монтажа (размера), напряжения привода и типа выхода.

Каталожный номер Внешний вид Размер Рабочее напряжение Рабочее магнитное поле Выход
HGDESM021A 1.1 × 0,9 × 0,55 Тип. 1,8 В
(от 1,6 мин. До 3,6 В макс.)
Hon. (+)
Тип. 2 мТ
(от 1,3 до 2,7 мТ)
Hoff. (+)
Тип. 1,2 мТ
(от 0,5 до 1,9 мТ)
Однополюсный, одинарный выход
HGDEPM021A Двухполюсный, одинарный выход
HGDEDM021A Двухполюсный, двойной выход
HGDEST021B 2.9 × 2,8 × 1,1 Однополюсный, одинарный выход
HGDEPT021B Двухполюсный, одинарный выход
HGDFST021B Тип. 5 В
(от 4,5 мин. До 5,5 В макс.)
Однополюсный, одинарный выход
HGDFPT021B Двухполюсный, одинарный выход
HGDVST021A от 3 до 30 В Hon.(+)
Тип. 2 мТ
Hoff. (+)
Тип. 1,4 мТ
Однополюсный, одинарный выход
  • Однополюсный, одинарный

  • Двухполюсный, одинарный выход

  • Двухполюсный, двойной выход

Здесь мы объяснили использование MR-датчика в качестве переключателя. В следующий раз мы познакомимся с другими прикладными применениями.

Датчики на эффекте Холла

| Allegro MicroSystems

Датчики на эффекте Холла

Автор: Шон Милано, Allegro MicroSystems

Скачать PDF версию

Абстрактные

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

Принципы эффекта Холла

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

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

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

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

где:

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

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

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

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

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

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

Использование эффекта Холла

Интегральные схемы (IC) Allegro с эффектом Холла

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

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

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

Конструкция ИС Холла

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

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

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

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

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

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

Рис. 5. Кремниевая пластина, врезанная в матрицу после нанесения схемы IC

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

Рисунок 6. Одиночная микросхема Холла

Упаковка для устройств Холла

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

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

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

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

AN296065

Ратиометрические прецизионные линейные аналоговые датчики Холла, 1D и 3D

Обзор высококачественного датчика Холла

Hoeben Electronics (Нидерланды) и MA Kapslingsteknik (Швеция) объединили усилия в создании датчиков. Новый,
поделились, основана компания: Asensor Technology AB. Все предыдущие датчики Холла Hoeben Electronics теперь можно найти на сайте www.asensor.eu

  • Доступны 3 базовых типа: точный датчик Холла HE144, стабильный и очень точный HE244 и 3D HE444.
  • Множество отклонений, таких как версии с витой парой, керамические версии, высокотемпературные версии, массивы, PT100 или PT1000 в комплекте
  • Все аналоговые датчики на эффекте Холла точные и логометрические
  • Может также использоваться в качестве замены для Siemens / Infineon KSY14 и KSY44 или даже для датчиков Холла KSY10 и KSY13
  • Использование проверенных технологий с долговременной надежностью и стабильностью
  • Очень высокое разрешение, уровень ppm в сильных полях, можно использовать с современными магнитами
  • Оптимизирован для низкого тока датчика Холла, меньшего энергопотребления или потребления батареи
  • Измерение сильных магнитных полей с высокой точностью, даже при испытаниях, превышающих 10 тесла
  • Многие цифры (6+) благодаря высокому разрешению в сочетании со способностью обнаруживать небольшие изменения в очень сильных магнитных полях
  • Широкий температурный диапазон.Уже протестировано при температуре 4 Кельвина
  • Надежный, может использоваться вне технических требований, будет работать
  • Очень низкий уровень шума, идеально подходит для магнитных измерений или управления
  • Очень низкий PHE, отсутствие ошибок в показаниях по осям X и Y, идеально подходит для логометрических трехмерных измерений магнитного поля
  • Перемещает ваши измерения Холла из диапазона% в диапазон ppm
  • Возможны специальные пакеты, просто спросите, мы специализируемся на индивидуальных пакетах для всех видов электронных компонентов
  • FR: Capteurs à effet Hall DE: Hallsensoren, Sensoren Hall, NL: Hall sensoren

Общая информация

  • Производим в Европе
  • Небольшие корпуса с низкой индуктивностью и низким уровнем электромагнитной совместимости и датчиками магнитной петли, в том числе на более низких частотах
  • Датчики имеют токовый вход и дифференциальный (симметричный) выход по напряжению
  • Датчики измеряют положительное и отрицательное магнитные поля
  • Датчики оптимизированы для малых токов датчиков
  • Возможно объединение датчиков температуры и / или источника тока и / или усиления
  • Можно использовать датчики вне нескольких спецификаций, не разрушая их, особенно очень низкие температуры вообще не проблема, датчики уже протестированы в жидком азоте
  • Для динамических измерений с низким уровнем шума мы рекомендуем токи датчика 1 мА или ниже для HE144, 2 мА или ниже для HE244, 2 мА или ниже для каждого канала HE444
  • Для более высокой мощности можно использовать более высокие токи, 5 мА для HE144 и 10 мА для HE244 и HE444
  • Могут быть созданы индивидуальные пакеты для клиента
  • Имеются образцы

Высокочувствительный цифровой датчик Холла CMOS для приложений с низким магнитным полем

DOI: 10.3390 / с120202162.

Epub 2012 15 февраля.

Принадлежности

Расширять

Принадлежность

  • 1 Школа электронных наук и инженерии, Нанкинский университет, Нанкин 210093, Китай[email protected]

Бесплатная статья PMC

Элемент в буфере обмена

Юэ Сюй и др.

Датчики (Базель).

2012 г.

Бесплатная статья PMC

Показать детали

Показать варианты

Показать варианты

Формат

АннотацияPubMedPMID

DOI: 10.3390 / с120202162.

Epub 2012 15 февраля.

Принадлежность

  • 1 Школа электронных наук и инженерии, Нанкинский университет, Нанкин 210093, Китай. [email protected]

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки
Опции CiteDisplay

Показать варианты

Формат
АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

Интегрированные датчики Холла CMOS широко используются для измерения магнитных полей.Однако с ними трудно работать в условиях слабого магнитного поля из-за их низкой чувствительности и большого смещения. В этой статье описывается высокочувствительный цифровой датчик Холла, изготовленный по технологии CMOS высокого напряжения 0,18 мкм для приложений с низким полем. Датчик состоит из переключаемой крестообразной пластины Холла и нового формирователя сигнала. Он эффективно устраняет смещение и низкочастотный шум 1 / f за счет применения метода компенсации динамического квадратурного смещения. Результаты измерений показывают, что оптимальная пластина Холла обеспечивает высокую чувствительность по току около 310 В / ат.Весь датчик обладает замечательной способностью измерять магнитное поле минимум ± 2 мТл и выводить цифровой сигнал Холла в широком диапазоне температур от -40 ° C до 120 ° C.

Ключевые слова:

КМОП-технология; Датчик Холла; рубленая техника; отмена динамического смещения.

Цифры

Рисунок 1.

Обычный вид сверху…

Рисунок 1.

Вид сверху на обычную крестообразную пластину Холла.

Фигура 1.

Вид сверху на обычную крестообразную пластину Холла.

Рисунок 2.

Блок-схема нового…

Рисунок 2.

Блок-схема новой инструментальной цепи прерывистой стабилизации.

Фигура 2.

Блок-схема новой инструментальной цепи прерывистой стабилизации.

Рисунок 3.

Переключаемая пластина Холла.

Рисунок 4.

Формирователь сигнала цифрового…

Рисунок 4.

Формирователь сигнала цифрового датчика Холла.

Рисунок 4.

Формирователь сигнала цифрового датчика Холла.

Рисунок 5.

Смоделированная форма переходного напряжения в диапазоне…

Рисунок 5.

Смоделированная форма переходного напряжения между дифференциальными входами инструментального усилителя.

Рисунок 5.

Смоделированная форма переходного напряжения между дифференциальными входами инструментального усилителя.

Рисунок 6.

Смоделированная форма переходного напряжения в диапазоне…

Рисунок 6.

Смоделированная форма переходного напряжения между дифференциальными входами компаратора.

Рисунок 6.

Смоделированная форма переходного напряжения между дифференциальными входами компаратора.

Рисунок 7.

Имитация цифрового выходного сигнала Холла…

Рисунок 7.

Имитация цифрового выходного сигнала Холла формирователя сигналов.

Рисунок 7.

Имитация цифрового выходного сигнала Холла формирователя сигналов.

Рисунок 8.

Микрофотография цифрового зала…

Рисунок 8.

Микрофотография матрицы цифрового датчика Холла.

Рисунок 8.

Микрофотография матрицы цифрового датчика Холла.

Рисунок 9.

Измерение чувствительности по току…

Рисунок 9.

Измерение чувствительности по току в зависимости от температуры.

Рисунок 9.

Измерение чувствительности по току в зависимости от температуры.

Рисунок 10.

Измерение вариации…

Рисунок 10.

Измерение изменения чувствительности, связанной с током, в зависимости от тока смещения.

Рисунок 10.

Измерение изменения чувствительности, связанной с током, в зависимости от тока смещения.

Рисунок 11.

Цифровой выход Холла…

Рисунок 11.

Цифровой выход датчика Холла, отображаемый на осциллографе Agilent 3032A.

Рисунок 11.

Цифровой выход датчика Холла, отображаемый на осциллографе Agilent 3032A.

Все фигурки (11)

Похожие статьи

  • Монолитный магнитный датчик Холла CMOS с высокими характеристиками чувствительности и линейности.

    Хуан Х, Ван Д, Сюй Ю.
    Хуанг Х и др.
    Датчики (Базель). 2015 27 октября; 15 (10): 27359-73. DOI: 10.3390 / s151027359.
    Датчики (Базель). 2015 г.

    PMID: 26516864
    Бесплатная статья PMC.

  • КМОП-магнитные датчики для носимой магнитомиографии.

    Хейдари Х., Зо С., Красулис А., Назарпур К.
    Heidari H, et al.
    Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc.2018 июль; 2018: 2116-2119. DOI: 10.1109 / EMBC.2018.8512723.
    Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2018.

    PMID: 30440821

  • Рентгеновский сканер с КМОП-сенсором большой площади с активным пиксельным датчиком для цифрового томосинтеза молочных желез: анализ, моделирование и характеристика.

    Чжао К., Каницки Дж., Константинидис А.С., Патель Т.
    Чжао С. и др.
    Med Phys. 2015 ноя; 42 (11): 6294-308. DOI: 10.1118 / 1.4932368.
    Med Phys. 2015 г.

    PMID: 26520722

  • Сверхчувствительные датчики магнитного поля для биомедицинских приложений.

    Мурзин Д., Mapps DJ, Левада К., Беляев В., Омельянчик А., Панина Л., Родионова В.
    Мурзин Д. и др.
    Датчики (Базель). 2020 11 марта; 20 (6): 1569. DOI: 10,3390 / с20061569.
    Датчики (Базель). 2020.

    PMID: 32168981
    Бесплатная статья PMC.Рассмотрение.

  • КМОП-датчики изображения в приложениях систем наблюдения.

    Сукхаваси С.Б., Сукхаваси С.Б., Эллити К., Абузнейд С., Эллити А.
    Сухаваси С.Б. и др.
    Датчики (Базель). 2021, 12 января; 21 (2): 488. DOI: 10,3390 / s21020488.
    Датчики (Базель). 2021 г.

    PMID: 33445557
    Бесплатная статья PMC.

    Рассмотрение.

Процитировано
7
статьи

  • Магнитные микродатчики с двумя транзисторами с эффектом магнитного поля, изготовленными с использованием промышленного процесса изготовления дополнительных металлооксидных полупроводников.

    Чен В.Р., Цай Ю.С., Ши П.Дж., Сюй СС, Дай К.Л.
    Chen WR, et al.
    Датчики (Базель). 2020 21 августа; 20 (17): 4731. DOI: 10,3390 / s20174731.
    Датчики (Базель). 2020.

    PMID: 32825769
    Бесплатная статья PMC.

  • Дизайн и синтез магнитных наночастиц для биомедицинской диагностики.

    Чен Й, Дин Х, Чжан И, Наталья А, Сунь Х, Ван З, Шао Х.Чен Ю. и др.
    Quant Imaging Med Surg. Октябрь 2018; 8 (9): 957-970. DOI: 10.21037 / qims.2018.10.07.
    Quant Imaging Med Surg. 2018.

    PMID: 30505724
    Бесплатная статья PMC.

    Рассмотрение.

  • Датчики микромагнитного поля, изготовленные с использованием стандартного 0,18-мкм КМОП-процесса.

    Лин Ю.Н., Дай Кл.
    Лин Ю.Н. и др.
    Микромашины (Базель). 2018 7 августа; 9 (8): 393. DOI: 10,3390 / mi

      93.Микромашины (Базель). 2018.

      PMID: 30424326
      Бесплатная статья PMC.

    • Калибровка системы измерения Холла для прецизионного столика с 6 степенями свободы с использованием самоадаптивного гибридного TLBO.

      Чен З, Лю И, Фу З, Сон С., Тан Дж.
      Chen Z, et al.
      Датчики (Базель). 2016, 14 июня; 16 (6): 872. DOI: 10,3390 / s16060872.
      Датчики (Базель). 2016 г.

      PMID: 27314349
      Бесплатная статья PMC.

    • Монолитный магнитный датчик Холла CMOS с высокими характеристиками чувствительности и линейности.

      Хуан Х, Ван Д, Сюй Ю.
      Хуанг Х и др.
      Датчики (Базель). 2015 27 октября; 15 (10): 27359-73. DOI: 10.3390 / s151027359.
      Датчики (Базель). 2015 г.

      PMID: 26516864
      Бесплатная статья PMC.

    Рекомендации

      1. Беллеком С.Сравнение CMOS и биполярных пластин Холла в отношении коррекции смещения. Sens. Actuat. А. 1999; 76: 178–182.

      1. Попович Р.С., Ранджелович З., Маник Д. Интегрированные магнитные датчики на эффекте Холла. Sens. Actuat. А. 2001; 91: 46–50.

      1. Ранджелович З.Б., Каял М., Попович Р., Бланшар Х. Высокочувствительная микросистема магнитного датчика Холла в КМОП-технологии.IEEE J. Solid-St. Circ. 2002; 37: 151–158.

      1. Бланшар Х., Де М.Ф., Ху Б.Дж., Попович Р.С. Высокочувствительный датчик Холла с технологией CMOS. Sens. Actuat. А. 2000; 82: 144–148.

      1. Баккер А., Тиле К., Хуэй Дж. Дж. Инструментальный КМОП-усилитель с вложенными прерывателями и смещением 100 нВ.IEEE J. Solid-St. Circ. 2000; 35: 1877–1883.

    Типы публикаций

    • Поддержка исследований, за пределами США. Правительство

    Условия MeSH

    • Анализ отказов оборудования
    • Магнитометрия / приборы *

    LinkOut — дополнительные ресурсы

    • Полнотекстовые источники

    • Прочие источники литературы

    .