Датчик Холла

Датчик Холла – это небольших размеров чувствительный элемент, позволяющий отслеживать изменения магнитного поля. Нужно сказать, что несмотря на то, что открытию уже более 100 лет, и явление, лежащее в основе принципа действия, известно с 1879 года, лишь в последние несколько десятилетий эти изделия стали неотъемлемой частью многих образчиков технических достижений.

Датчики разного типа

Датчики разного типа

Эффект Холла

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

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

До 1950-х годов, когда впервые создали регистратор микроволнового излучения, эффект Холла не применялся за пределами лабораторий. А в широкое плавание он был запущен изготовителями компьютерных клавиатур – концерны были очень заинтересованы в отыскании бесконтактного пути регистрации положения клавиш и нашли таковой в 1968 году. Твердотельный датчик, изобретённый в 1965 году Джо Мопином и Эверетом Вортманом, позволил значительно улучшить характеристики оборудования. На данный момент в промышленности наблюдается ежегодный прирост потребности в сенсорах Холла, и по некоторым оценка топовая пятёрка компаний-производителей имеет доходность в этой области порядка 2 млрд. долларов.

Сегодня датчики Холла используют как раз из-за этой особенности – они практически вечные, потому что не содержат движущихся и трущихся частей. И в клавиатуре ломается обычно не чувствительный элемент, а контроллер. Известны даже вирусы, которые перепрограммируют чип и заражают компьютер… через USB-клавиатуры. Кстати, спецслужбы давно уже взяли на вооружение этот метод, чтобы шпионить, а эффективной защиты против уязвимости попросту не существует.

Эффект Холла проявляется в проводнике тем сильнее, чем меньше концентрация носителей заряда и больше подвижность. Вот почему металлы (на основе которых впервые был продемонстрировано само явление) вовсе не являются идеальным материалом для создания датчиков. В гораздо большей степени для этих целей годятся полупроводники. Одновременно это существенно снижает стоимость и повышает унификацию серийного производства.

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

Вы видите, что ничего загадочного эффект Холла в себе не несёт. Несмотря на то, что формула Лоренца была предложена на добрый десяток лет позже – в 1892 году – нежели люди узнали о том, что пластинка золота формирует разность потенциалов на своих торцах при протекании по ней постоянного электрического тока. А о влиянии магнитного поля на проводники ещё в 1831 году однозначно высказывался Майкл Фарадей, благодаря тайному поклоннику которого мир узнал о генераторах и двигателях. Да-да, и сегодня никто не знает, кем придуман первый мотор постоянного тока. А при обратном включении он же работает и в качестве генератора.

Читайте также:  Электронный трансформатор

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

Эффект Холла

Эффект Холла

Достоинства сенсоров Холла

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

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

Конструкция датчиков Холла

В ходе эксплуатации отлично себя показали такие традиционные полупроводниковые материалы, как арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет собой небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на всем протяжении стороны прямоугольника. А те, с которых снимается сигнал – самые обычные, точечные. Понятно, что в каждой схеме обычно имеется общая точка (нулевой провод, нейтраль), поэтому в общем и целом сумма контактов равняется трём. То есть отрицательные линии объединяются.

Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах существует, как правило, некоторый сигнал. Это объясняется вовсе не влиянием нашей планеты, как могли бы подумать некоторые читатели. Дело в том, что потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо же вовсе ориентироваться на точечные импульсы, что часто и делается на практике. Также для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся только изменение сигнала).

Особенности конструкции датчика

Особенности конструкции датчика

Толщина плёнки проводника обычно очень мала и едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку может использоваться способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с очень малой чувствительной площадью, что значительно повышает во многих случаях точность измерений, потому что поверхность невелика. В свою очередь, в приборах это используется для оценки положений деталей каких-либо механизмов. С другой стороны малогабаритные датчики имеют сравнительно низкий отклик, который измеряется в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла этот параметр обычно укладывается в пределы от 0,03 до 1.

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

Мы должны в этом месте сделать отступление и объяснить, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Дело в том, что амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, потому что в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.

Читайте также:  Электрическое напряжение

Применение датчиков Холла

  1. Датчики Холла широко применяются в бытовой технике. Самые красноречивый пример – стиральные машины. Многие ломают головы над тем, как в продвинутых моделях производится взвешивание белья. В сети даже есть патенты, где при помощи каких-то пружин или тензодатчиков предлагается эту проблему решить в лоб. Понятно, что такие устройства не могут обладать большой надёжностью, потому что постоянно подвергались бы деформациям. Не говоря уже о том, что на бак обычно вешается пара-другая кирпичей, а значит, суммарный вес конструкции очень велик, что накладывается свои ограничения. Поэтому на практике в стиральных машинах белья сначала обильно увлажняется, а потом по скорости разгона барабана оценивается общая масса. Так и происходит взвешивание белья, которое в дальнейшем определяет программу работы оборудования, расход порошка, воды, ополаскивателя.
  2. В компьютерных клавиатурах датчики Холла впервые вошли в серийное производство. Обычно на подложке стоит чувствительный элемент, тогда как на клавише крепится магнит. Понятно, что никаких пружин внутри современной клавиатуры уже не имеется, а сила упругости создаётся за счёт полимеров с высоким сроком службы. Мы совершенно точно можем сказать, что решение очень и очень удачное: ломается обычно не датчик и даже не упругая механическая часть, выходит из строя контроллер.
  3. Датчик Холла можно применять для измерения силы тока (как в токовых клещах). Этот прибор может реагировать на изменение электромагнитного поля, которое всегда окружает провода. А этом случае создаётся так называемая обмотка возбуждения (обычная индуктивность из медной проволоки). Измеряемый ток подаётся на отводы и в результате образуется электромагнитная волна, часть которой может быть оценена датчиком Холла. Отклик зависит напрямую от измеряемой величины. Расчёт ведётся по формула, которые могут быть заложены, например, в контроллер. Для точности прибор тарируется заводом изготовителем. Причём сохраняются все упомянутые выше преимущества, прежде всего – отсутствие подвижных частей. Аналогичным образом при помощи датчиков Холла становится возможным измерение мощности.

    Применение датчика

    Применение датчика

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