Датчик Холла

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

Датчики разного типа

Эффект Холла

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

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

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

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

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

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

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

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

Эффект Холла

Достоинства сенсоров Холла

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

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

Конструкция датчиков Холла

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

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

Особенности конструкции датчика

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

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

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

Применение датчиков Холла

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

   Применение датчика

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