Устройство датчика Холла принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчики холла и их применение

Сайт для радиолюбителей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также:  Как определить степень сжатия двигателя

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

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

В табл.2 приведены параметры датчиков Холла фирмы Honeywel

Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения

Речь пойдет о датчике тока, принцип действия которого основан на эффекте Холла (Датчики Холла). Что это за эффект, и как такой датчик можно сделать в домашних условиях? Чтобы лучше понять эффект Холла нужно разобрать эксперимент физика, в честь которого был назван этот эффект.

Виды

  • Цифровые датчики . Работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчика является то, что у него есть зона нечувствительности порогов. Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные:

— Униполярные датчики Холла работают, если есть поле какой-либо полярности, выключаются при уменьшении индукции.
— Биполярные датчики Холла срабатывают на изменение полярности поля. При одной полярности датчик включается, а при другой – выключается.

  • Аналоговый вид датчиков Холла изменяет индукцию поля в разность потенциалов. Значение датчика зависит от полярности и его силы. Нужно учитывать, на каком расстоянии находится датчик.
Применение

Датчики Холла входят в состав многих приборов. Чаще они применяются в измерении напряженности поля магнитной индукции, в электродвигателях, в ионных двигателях ракет. Широкое распространение датчики Холла нашли в устройстве системы зажигания современных автомобилей.

Также они используются в бесконтактных выключателях, герконах, при измерении силы тока, уровня жидкости и других местах. Главное их преимущество – это воздействие без физического контакта.

Как проверить на автомобиле исправность датчика Холла

В быту с такой проблемой сталкиваются чаще всего автомобилисты. Наиболее простым способом является обыкновенная замена на исправный датчик. Если после замены система зажигания заработала, значит необходимо менять датчик.

Если нечем заменить проверяемый датчик, то собирают простое устройство, которое может имитировать работу датчика Холла. Берется кусок провода, и тройной разъем от распределителя зажигания. Эти предметы работают аналогично датчику.

Для контроля пользуются обычным мультиметром. Если датчик вышел из строя, то тестер покажет 0,4 вольта или меньше. Также проверяется работа датчика путем проверки искры при подключении зажигания. Перед этим соединяют концы провода к выходам коммутатора.

Если неисправность возникла не на автомобиле, а на другом оборудовании, то необходим тестер. Методика проверки будет зависеть от прибора, в котором установлен датчик.

Датчики Холла в смартфонах

Мобильные гаджеты имеют в составе много функциональных блоков. Среди них есть вспомогательные датчики, одним из которых является датчик Холла. В современных устройствах связи такие датчики являются измерительными элементами, с помощью которых определяют мощность магнитного поля, его изменения. Они называются в честь ученого Холла.

Для чего установлен датчик Холла в смартфоне

Этот сенсорный элемент имеет много возможностей. Одной из них является измерение магнитной индукции приборов, а также бесконтактное управление. В дорогих моделях смартфонов имеется магнитометр, работа которого основана на датчике Холла.

На многих мобильниках этот датчик не полностью реализован. В основном этот сенсор применяют для таких задач:
  • Цифровой компас. Применяется для программ навигации и повышения скорости позиционирования.
  • Оптимизация взаимодействия устройства с разными аксессуарами, магнитными чехлами.
  • Применение датчика в раскладных моделях телефонов, для включения и отключения экрана при движении крышки.

Пример работы магнитного датчика Холла в чехле и смартфона заключается в том, что при открывании и закрытии чехла автоматически происходит блокировка экрана. Датчик реагирует на движение магнита, на усиление магнитного поля.

Читайте также:  6Р81 – универсальный фрезерный станок с надежной конструкцией
Принцип действия

Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.

Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.

На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле.

Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла.

Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.

Сборка датчика тока на основе эффекта Холла

Попробуем сделать собственный датчик тока. Понадобится ферритовое кольцо и датчик Холла. Найти ферритовое кольцо не составляет особых проблем. Они есть в блоках питания компьютера или энергосберегающих ламп, а также продаются в радиомагазинах по цене от 10 до 100 рублей в зависимости от размера самого кольца. В нашем случае имеется кольцо диаметром 28 мм за 55 рублей.

Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он недорого. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Датчики Холла Аналоговые и цифровые (Дискретные).

Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока. В нашем случае это аналоговый датчик ОН49Е.

Схема подключения датчика

Схема подключения выглядит следующим образом.

Как видно из рисунка для детектирования магнитного поля, создаваемого током в проводнике, нам необходимо будет сделать зазор в ферритовом кольце и поместить туда датчик Холла. Тем самым появится возможность измерять величину этого электромагнитного поля. На основании полученных данных можно делать вывод о том, есть ли сейчас ток в проводнике, и какой он величины.

Чтобы получить более универсальный вариант этого датчика, мы распилили ферритовое кольцо пополам, что без тисков было сделать сложно. Это привело к поломке кольца. Как хорошо, что люди придумали клей, и это дело мы быстро исправили. Получив две половинки, мы убрали неровности наждачной бумагой. Затем на одну из сторон мы вырезали и приклеили плотный лист бумаги. На другую сторону сам датчик Холла. После этого мы приклеили обе половинки к большому крокодилу на 30 ампер.

В итоге получились токовые клещи, или более универсальный вариант датчика тока, который можно снять и присоединить к любому проводу без его разреза. Такие разделяемые датчики тока стоят около 1500 рублей, при заказе в Китае. Экономия получилась налицо.

Промышленное напряжение в сети переменного тока изменяется с частотой 50 герц. То есть, направление тока, текущего по проводнику, будет меняться 50 раз в секунду. Электромагнитное поле также вслед за током будет менять свое направление 50 раз в секунду.

Датчик Холла принцип работы и его типы

Что такое датчик Холла

Для того чтобы понять, что такое датчик Холла нужно сначала разобраться какие физические свойства он использует. Этот датчик использует внешние магнитные поля и их воздействием на проводники или полупроводники.

Читайте также:  Топ-12 лучших гаджетов для путешествий; 2020 Отзывы туристов и форум; Ездили-Знаем;

В них используется принцип Холла, который заключается в том, что если по проводнику или полупроводнику протекает ток в одном направлении и он проходит перпендикулярно магнитному полю, то можно измерить напряжение, проходящее под прямым углом к движению тока.

В 19 веке американский физик Эдвин Холл проводил эксперименты с пластиной золота через которую он пропускал электрический ток. Когда он поднес к пластине постоянный магнит, то обнаружил на гранях перпендикулярных протеканию тока разность потенциалов т.е. напряжение. В честь этого ученого и назвали этот эффект.

Датчик Холла является магнитным датчиком т.е. устройством, генерирующим электрические сигналы пропорциональные магнитному полю, которое к нему приложено. Далее сигнал может усиливаться и преобразовываться для дальнейшей обработки.

Самым простым примером применения эффекта Холла могут служить токоизмерительные клещи, которые применяются для бесконтактного определения силы тока, протекающего по проводнику.

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

  1. Аналоговые датчики Холла
    В этом типе датчиков использовано преобразование магнитной индукции напрямую в напряжение. Свое применение аналоговые датчики нашли в измерительных технических устройствах. Это, например, датчики тока, датчики вибрации, датчики угла поворота.
  2. Цифровые датчики Холла
    Цифровой датчик Холла имеет всего два положения, которые показывают наличие или отсутствие магнитного поля. Практически это аналог геркона, но если в герконе присутствует механический контакт, то цифровой датчик Холла бесконтактный.

Подразделяются такие датчики на три вида:

  • Униполярный – когда сила магнитного поля достигает определенной величины датчик срабатывает. Такие датчики откликаются только на один полюс. Если к датчику поднести магнит другим полюсом, то датчик на него не реагирует. Когда сила магнитного поля снижается датчик возвращается в исходное положение.
  • Биполярный – в этом случае имеет значение полярность магнитного поля. Один полюс включает датчик, другой полюс выключает.
  • Омниполярный датчик Холла – реагирует на любой магнитный полюс. Т.е. любой полюс может включать и выключать датчик. Это может быть, как южный, так и северный полюс.

Как правило цифровой датчик Холла имеет три вывода и внешне похож на транзистор.

На два вывода датчика подается питание, которое может быть, как однополярным, так и двуполярным. Третий вывод сигнальный. Такой тип датчиков часто применяется в бесконтактных системах зажигания, как датчик скорости в автомобилях и т.д.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

  • В смартфонах датчик Холла используется в комплекте с магнитным чехлом. Он позволяет определить чехол открыт или закрыт. Если чехол открыт, то смартфон включается, если открыт, то выключается. Также преобразователь Холла ориентирует телефон по горизонту земли и помогает работе компаса. На мобильных телефонах-раскладушках также применяется датчик Холла для определения телефон находится в открытом или закрытом положении.

  • В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
  • В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
  • В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
  • В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
  • В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
  • В системах определения уровня жидкости.
  • Для проверки наличия скрытой проводки.
  • Для измерения силы тока.

  • В робототехнических наборах для изучения эффекта Холла. Это позволяет наглядно показать, как используются магнитные поля в датчиках.

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Датчик Холла или геркон?

Ссылка на основную публикацию
Устранение стука рулевой рейки путем подтягивания — Лада Калина Блог
Ремонт рулевой рейки с электроусилителем калина; Автомобили и люди; сайт для любознательных Опытное управление по ремонту предназначено для автосервисов, СТО...
Установка подъемника в гараже узнаем, как все сделать идеально
Установка подъёмника как выполнить монтаж Ни одно складское или цеховое помещение, прилегающее к комплексу или заводу, связанному с автомобилестроением, не...
Установка поршневых колец на модели ВАЗ от 2108 до 2115
Ваз 2101 правильная замена поршневых колец своими руками MasteraVAZa Как правило, у Жигулей с побегом более 150000 износ поршневой группы...
Устранение стука спереди слева подтяжка рулевой рейки
Ремонт, замена и регулировка рулевой рейки рено логан (Видео) Авто ремонт легковых автомобилей, зак Ремонт, замена и регулировка рулевой рейки...
Adblock detector