Датчик Холла

Датчик Холла

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

Эффект Холла

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

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

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

Supply Voltage — напряжение питания датчика

Voltage Regulator — регулятор напряжения

Hall Sensor — собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

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

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

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

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

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

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

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

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

Цифровые датчики Холла

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

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

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

Униполярные

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

Биполярные

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

Как проверить датчик Холла

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

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

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

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

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

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

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

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

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

А вот и видео работы

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

Применение датчиков Холла

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

Применение линейных датчиков

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

Применение цифровых датчиков

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

Заключение

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

Принцип работы датчика Холла

Реле и датчики

Даже школьники знают, что существует огромное количество различных датчиков, которыми мы пользуемся ежедневно. К примеру, тот же термометр, который является датчиком измерения температуры. Но есть в технике достаточно своеобразные датчики, которые названы в честь людей, придумавших их. К примеру, датчик Холла – принцип работы его будем рассматривать в этой статье.

Но перед тем как перейти к разбору данного прибора, необходимо ознакомиться немного с историей его появления. Итак, все началось очень давно в Америке, где известный физик Эдвин Холл экспериментировал с электричеством. Что он сделал?

Он взял золотую пластинку и стал через нее пропускать постоянный ток. Кстати, схема этого эксперимента обозначена на рисунке ниже. Так вот ток пропускался через грани, обозначенные буквами «В» и «D». После чего он установил пластинку в магнит, который располагался к ней перпендикулярно. И самое интересное оказалось тем, что между гранями «А» и «С» появился электрический потенциал, то есть, напряжение. С тех пор такой эффект стали называть в честь американского физика. А вот и обещанный нами рисунок.

Сам Эдвин Холл на этом и остановился, а вот другие физики стали экспериментировать с этим физическим эффектом. Его в основном стали использовать в радиотехнике, изготавливая детали, в которых эффект Холла был основополагающим. Никто не стал заморачиваться с названием этих деталей, их стали называть по названию эффекта, то есть, датчиками Холла. Итак, что такое датчик Холла?

Как работает датчик Холла

По сути, этот прибор изготовлен по типу щелевой конструкции. С одной стороны щели располагается магнит, с другой полупроводник, через который пропускается ток. Так вот на движущиеся электроны действует магнитное поле, которое изменяет их вектор движения.

Но тут возникает вопрос, какое напряжение может возникнуть в такой конструкции, насколько оно большое? Все будет зависеть от нескольких показателей, которые являются частями фот этой формулы:

Здесь понятно, что:

• Uh – это само напряжение;
• Rh – это так называемый коэффициент Холла;
• Н – это напряжение, создаваемое магнитным полем;
• I – это величина тока, проходящего по полупроводниковой пластине;
• w – это угол между магнитным полем и проводником, в данном случае он составляет 90º, а sin90º=1;
• d – это толщина пластины.

В этой формуле есть один показатель, который может привести в затруднение, это коэффициент Холла. Надо сказать, что данная величина определяется по таблицам, которые есть в свободном доступе в интернете. У каждого металла или сплава различные значения этого коэффициента. Для примера предложим ознакомиться с некоторыми из них.

• золото – (-0,715 м³/К);
• железо — +5,5;
• алюминий – (-0,22).

Параметры эффекта Холла известны, на их основе и были изготовлены датчики, с помощью которых можно измерять силу тока в проводящем элементе. Кстати, на этом принципе изготавливаются клещи, с помощью которых измеряется сила тока в проводниках без соприкосновения инструмента с проводами. То же самое можно сказать и о приборах, с помощью которых измеряется магнитное поле. Все эти приборы относятся к категории линейных, потому что напряжение, возникающее в проводниковой пластине прямопропорционально параметрам, которые измеряются.

В современной цифровой технике датчики также используются. Их дополняют различными логическими элементами. Датчики такого типа делятся на три группы:

• Униполярные – это когда прибор реагирует только на один полюс, а на другой не реагирует.
• Биполярные – реагирует на два полюса только по-разному. Если поднести к датчику один полюс, он начинает работать и продолжает это делать, если полюс отвести от него. А вот на второй полюс он реагирует совершенно по-другому, прибор будет отключаться.
• Омниполярные – реагирует на оба полюса, то есть, и включаются, и отключаются.

Заключение по теме

Итак, мы рассмотрели датчик тока на эффекте Холла, как он работает, и какие они бывают. Но у многих, наверное, возникает вопрос, чем же так хороши эти приборы? Во-первых, у них нет электромеханических контактов, которые со временем изнашиваются и требуют замены. Во-вторых, это теоретически бесконечное количество включений и выключений. Конечно, если учитывать подачу стабильного напряжения на проводник, а также придерживать определенную силу тока.

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Датчики – преобразователи одной физической величины в другую (обычно, в электрическую) широко распространены в бытовой и промышленной технике. Без них очень трудно, а то и невозможно, измерять, оцифровывать и обрабатывать такие технологические параметры, как давление и расход (газа или жидкости), температуру, уровень, напряженность магнитного или электрического полей и т.д. Одним из широко распространенных датчиков является датчик Холла – они используется как в быту (начиная со смартфонов или ноутбуков), так и в самой сложной промышленной технике.

Эффект Холла — принцип работы

Этот эффект открыт в 1879 году американским физиком Эдвином Холлом и назван его именем. Суть явления состоит в том, что если взять металлическую пластину и пропустить через неё электрический ток (в направлении АВ на рисунке), а потом подействовать на пластину магнитным полем, например, создаваемым постоянным магнитом, то в направлении, перпендикулярном прохождению тока (CD на рисунке), возникнет разность потенциалов.

Этот эффект возникает за счет силы Лоренца, воздействующей на движущиеся заряды и смещающей их в направлении, перпендикулярном направлению движения. В итоге на краях пластины возникает разность потенциалов, которую можно измерить или применить для срабатывания исполнительных механизмов (предварительно усилив). Эта разность зависит:

• от силы протекающего тока;
• от напряженности магнитного поля;
• от концентрации свободных носителей заряда в проводнике.

Явление названо в честь его открывателя – эффектом Холла.

Виды и устройство датчиков Холла

Открытому ещё в позапрошлом веке эффекту нашлось практическое применение. На его основе строят датчики магнитного поля. Их достоинство состоит в том, что они не имеют подвижных и трущихся элементов (в отличие от герконов), поэтому их надежность намного выше. По принципу чувствительности промышленные датчики Холла делятся на:

• униполярные (реагируют только на один магнитный полюс – северный или южный);
• биполярные (включаются при воздействии магнитного поля одной полярности, выключаются при воздействии магнитного поля противоположной полярности);
• омниполярные – реагируют на любые полюсы магнитов.

Разность потенциалов, создаваемая при воздействии магнитного поля на движущиеся заряды, составляет единицы, в лучшем случае десятки микровольт. Для практического применения этого мало, разность потенциалов надо усилить. Эти усилители встраивают прямо в корпус датчиков, и по типу усилителя устройства делятся на два класса.

1. Аналоговые. В них напряжение на выходе датчика пропорционально магнитному полю (зависит от силы магнита и расстояния от него). Построены на базе операционного усилителя и служат для измерения магнитных полей.
2. Цифровые. После усилителя установлен компаратор или триггер Шмитта. Напряжение на выходе при достижении магнитной индукции определенного порога скачком изменяется от нуля до высокого уровня (обычно до уровня напряжения питания). Такие датчики используют для построения магнитных реле или генераторов импульсов. Усиленный сигнал от пластины подается на пороговое устройство. При достижении установленного уровня датчик срабатывает. Уровень срабатывания можно настроить изменением расстояния от датчика до источника магнитного поля.

Применение датчиков Холла

Самое распространенное применение датчика Холла в быту – бесконтактные системы зажигания автомобиля. Их преимущество – отсутствие механических контактных групп. Это означает отсутствие износа, подгорания контактов, риска механической поломки.

Система распределения содержит пластину с выступами, приводимую во вращение от коленвала двигателя, постоянный магнит и собственно датчик Холла. При вращении пластины выступы в строго определенный момент, определяемый положением коленвала, попадают в зазор между датчиком и магнитом, изменяя параметры магнитного поля. Датчик формирует импульсы, синхронизированные с вращением коленчатого вала, которые регулируют подачу напряжения на высоковольтную катушку в необходимые моменты времени. Также датчики магнитного поля в автомобиле служат для распознавания положения коленвала.

Другое использование магниточувствительных датчиков – определение положения роторов электродвигателей. Релейный элемент крепится на статоре мотора и срабатывает при прохождении полюса. На этом принципе можно построить счетчик оборотов или измеритель частоты вращения.

Устройства, построенные на эффекте Холла, применяются в ноутбуках или мобильных устройствах – как индикатор закрытого положения крышки. При срабатывании датчика компьютер переходит в режим сна или выключается. А в смартфонах одна из функций датчика, реагирующего на магнитное поле Земли – организация работы электронного компаса.

Аналоговые датчики Холла применяются в измерительных приборах – там, где надо оценить уровень магнитного поля. Незаменимы они при бесконтактном измерении силы тока в проводнике. Как известно, при прохождении тока по проводнику, вокруг него возникает магнитное поле. Его напряженность зависит от силы тока. Если ток переменный, то поле можно измерить другими способами (например, трансформатором тока), а вот при постоянном токе без датчика Холла не обойтись. На таком принципе работают токоизмерительные клещи постоянного тока.

Самое же экзотическое применение эффекта Холла – построение на его принципе двигателей ионных ракет.

Как проверить датчика Холла на работоспособность

Для проверки датчика можно собрать несложную схему, для которой, кроме самого датчика, понадобятся:

• источник питания на нужное напряжение; сопротивлением около 1 кОм;
• светодиод;
• магнит.

Если светодиода нет, то вместо него (и токоограничивающего резистора) можно использовать мультиметр (цифровой или стрелочный) в режиме измерения напряжения.

К источнику питания особых требований не предъявляется – токи в схеме совсем небольшие. Его напряжение должно быть в пределах напряжения питания проверяемого датчика. Светодиод подключается анодом к плюсу источника напряжения, катодом к выходу проверяемого устройства, так как датчик обычно выполняется с открытым коллектором (но лучше проверить по даташиту).

Порядок проверки зависит от типа тестируемого устройства.

1. Чтобы проверить униполярный цифровой датчик, надо поднести к нему магнит одним полюсом. Светодиод должен загореться (отклониться стрелка стрелочного вольтметра или измениться скачком показания цифрового тестера). При удалении магнита на значительное расстояние схема должна прийти в исходное положение. Если датчик не сработал, надо перевернуть магнит другим полюсом и повторить процедуру. Если светодиод вспыхнул, значит, датчик исправен. Если успеха добиться не удалось ни в одном положении магнита, устройство к работе непригодно.
2. Биполярный цифровой датчик проверяется по похожей методике, только светодиод загорается при одном положении магнита, и не гаснет при удалении источника магнитного поля. На дальнейшие манипуляции тем же полюсом схема реагировать не должна. Если перевернуть магнит и поднести его к датчику в противоположной полярности, то светодиод должен погаснуть. Это говорит об исправности проверяемого устройства. Если схема работает не так, значит, датчик вышел из строя.
3. Омниполярный цифровой датчик Холла проверяется таким же образом, как и униполярный, но срабатывать магниточувствительное устройство должно при любом положении магнита.

Аналоговые датчики проверяются по той же методике, что и цифровые, но напряжение на выходе должно меняться не скачком, а плавно по мере возрастания магнитной силы (например, приближения постоянного магнита или увеличения тока в обмотке электромагнита).

С практической стороны интересен вопрос, как проверить датчик Холла, установленный в системе бесконтактного зажигания автомобиля. Для этого надо снять разъем с датчика и собрать указанную схему прямо на штырьках.

Здесь также светодиод можно заменить мультиметром. Проворачивая коленвал автомобиля вручную, можно наблюдать периодические вспышки LED или изменения выходного напряжения от нуля до приблизительно напряжения бортсети авто. Альтернативный способ проверки в гаражных условиях – временная замена устройства на заведомо исправный запасной датчик.

Датчик Холла нашел широкое применение в бытовой и промышленной технике. Проверить его на исправность несложно, если есть понимание принципа его работы.

Что такое герконовый датчик и где он применяется?

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика

Форум Тетис

#2 Сообщение divedive » 26-02-2012 16:59 —> Добавлено: 26-02-2012 16:59 Заголовок сообщения:

Геркон не проще подключить будет?

Про датчик блю холла лучше у Мухина спрашивать. Я слышал он хорошо в датчиках разбирается.

• Цитата

#3 Сообщение Андрейsf » 26-02-2012 17:48 —> Добавлено: 26-02-2012 17:48 Заголовок сообщения:

• Цитата

#4 Сообщение Николай_68 » 26-02-2012 18:00 —> Добавлено: 26-02-2012 18:00 Заголовок сообщения:

• Цитата

#5 Сообщение Андрейsf » 26-02-2012 18:44 —> Добавлено: 26-02-2012 18:44 Заголовок сообщения:

• Цитата

#6 Сообщение Альфред » 26-02-2012 18:52 —> Добавлено: 26-02-2012 18:52 Заголовок сообщения:

• Цитата

#7 Сообщение Андрей СПб » 26-02-2012 19:43 —> Добавлено: 26-02-2012 19:43 Заголовок сообщения:

Датчик Холла нужен если делаешь светодиодный фонарь с литиевыми аккумами — чтоб не разрядить сверх меры.
Тогда датчик неплохо вписывается в схему драйвера питания.

В остальных случаях — проще геркон и только его, без довесков.
Герконы на 2-3 А существуют.

А еще проще — обычный микрик и поворотный гермоввод на основе оси переменного резистора.

• Цитата

#8 Сообщение Андрейsf » 26-02-2012 20:23 —> Добавлено: 26-02-2012 20:23 Заголовок сообщения:

• Цитата

#9 Сообщение Андрей СПб » 26-02-2012 21:10 —> Добавлено: 26-02-2012 21:10 Заголовок сообщения:

Как на многих фонариках разных фирм.Шток с сектором для микрика.
посмотрите как фотографы делают viewtopic.php?t=66572
Проходят разверткой и колечко резиновое

ЗЫ Я когда то делал включение за счет поворота половины ручки фонаря — просто стоял винтовой патрон и в него «докручивался» цоколь от лампочки. 5 А держало

• Цитата

#10 Сообщение кочевник » 28-02-2012 21:26 —> Добавлено: 28-02-2012 21:26 Заголовок сообщения:

• Цитата

#11 Сообщение Revera » 28-02-2012 22:17 —> Добавлено: 28-02-2012 22:17 Заголовок сообщения:

• Цитата

#12 Сообщение Андрейsf » 18-03-2012 14:57 —> Добавлено: 18-03-2012 14:57 Заголовок сообщения:

• Цитата

#13 Сообщение Андрейsf » 18-03-2012 14:58 —> Добавлено: 18-03-2012 14:58 Заголовок сообщения:

• Цитата

#14 Сообщение tursan » 18-03-2012 18:05 —> Добавлено: 18-03-2012 18:05 Заголовок сообщения:

• Цитата

#15 Сообщение Синий дельфин » 18-03-2012 19:13 —> Добавлено: 18-03-2012 19:13 Заголовок сообщения:

• Цитата

#16 Сообщение Андрей СПб » 20-03-2012 08:55 —> Добавлено: 20-03-2012 08:55 Заголовок сообщения:

вот схема включения Холлов в «народном фонаре»

ИМХО, вам проще воспользоваться советом tursan, скомпоновав готовые платы

• Цитата

#17 Сообщение Student » 21-03-2012 22:28 —> Добавлено: 21-03-2012 22:28 Заголовок сообщения:

Ну самая примитивная схема — любой омниполярный ДХ с подходящим напряжением питания (выходом к затвору), резистор 50-100к (между затвором и истоком) и P-MOSFET транзистор.
Параметры надо подбирать исходя из коммутируемых напряжений и токов.
Из минусов — 5-10мА ДХ будет жрать всегда. Можно вместо ДХ поставить геркон к земле.

ЗЫ. Рисовал на будильнике.

• Цитата

#18 Сообщение кочевник » 22-03-2012 13:05 —> Добавлено: 22-03-2012 13:05 Заголовок сообщения:

• Цитата

#19 Сообщение Андрейsf » 25-03-2012 19:55 —> Добавлено: 25-03-2012 19:55 Заголовок сообщения: