Датчик Холла
Датчики Холла определяют силу и направление магнитного поля постоянного магнита или электромагнита. Выходной сигнал датчика Холла является функцией его магнитного поля и может обнаруживать как положительные, так и отрицательные магнитные поля.
Принцип работы датчика Холла
Внешнее магнитное поле активирует датчики Холла. Магнитные поля представлены плотностью потока (B) и магнитными полюсами, например, северным или южным полюсом. Магнетизм вокруг датчика Холла определяет его выходной сигнал. Когда плотность окружающего магнитного потока превышает заданное пороговое значение, датчик генерирует напряжение Холла VH.
Полупроводниковые датчики представляют собой полупроводники p-типа, такие как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb), которые проводят постоянный ток. Полупроводниковый материал испытывает воздействие силы в присутствии магнитного поля, заставляющей как электроны, так и дырки перемещаться по сторонам полупроводникового слоя. Когда электроны и дырки движутся в обе стороны, между разными сторонами полупроводников возникает разность потенциалов. В плоских прямоугольных материалах большее влияние на подвижность электронов оказывает внешнее магнитное поле, перпендикулярное полупроводниковому материалу.
Эффект Холла показывает тип магнитного полюса и напряженность его поля. Например, на одном из полюсов магнита напряжение есть, а на другом нет. Датчики Холла обычно «выключены» и действуют как разомкнутая цепь при отсутствии магнитного поля. Они замыкаются только в сильно поляризованном магнитном поле (замкнутая цепь).
Характеристики магнитного датчика Холла
Напряжение Холла (В ЧАС ) датчика Холла является функцией его напряженности магнитного поля (H). Большинство коммерческих устройств на эффекте Холла включают в себя усилители постоянного тока, переключающие логические схемы и стабилизаторы напряжения для улучшения чувствительности датчиков и выходного напряжения. Это позволяет датчику Холла выдерживать большую мощность и магнитные поля.
Принципиальная схема магнитного датчика Холла
Полуактивные датчики имеют линейные или цифровые выходы. Выходное напряжение линейного датчика напрямую связано с магнитным полем, проходящим через датчик Холла, и выводится операционным усилителем.
Уравнение напряжения на эффекте Холла
Уравнение выходного напряжения имеет вид:
Вот, В. ЧАС обозначает напряжение Холла, R ЧАС обозначает коэффициент эффекта Холла, I обозначает ток, t обозначает толщину, а B обозначает плотность магнитного потока. Линейные или аналоговые датчики создают постоянное напряжение, которое увеличивается при более сильных магнитных полях и уменьшается при более слабых полях. В датчике Холла по мере увеличения силы магнитного поля выходной сигнал усилителя увеличивается до тех пор, пока источник питания не достигнет насыщения. Увеличение магнитного поля приводит к насыщению выходного сигнала, но не имеет никакого эффекта:
Когда выходной сигнал датчика Холла превышает заданный уровень протекающего через него магнитного потока, контакты быстро переключаются из «закрытого» состояния в «разомкнутое» без дребезга. Этот встроенный гистерезис предотвращает колебания выходного сигнала при перемещении датчика в магнитное поле. Это означает, что датчик цифрового выхода имеет только состояния «включено» и «выключено».
Типы датчиков Холла
Датчики Холла могут быть двух типов: биполярные датчики Холла и униполярные датчики Холла. Униполярные датчики могут работать и разряжаться при входе и выходе из магнитного поля с одним и тем же южным магнитным полюсом, тогда как биполярные датчики для работы и разряда требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей. Из-за возможности управления выходным сигналом 10–20 мА большинство устройств на эффекте Холла не могут напрямую коммутировать сильноточные нагрузки. Для больших токовых нагрузок к выходу добавляется NPN-транзистор с открытым коллектором.
Применение датчиков Холла
Датчики Холла включаются при наличии магнитных полей и управляются одним постоянным магнитом на подвижном валу или устройстве. Чтобы максимизировать чувствительность, линии магнитного потока должны быть перпендикулярны полю датчика и иметь правильную поляризацию во всех конфигурациях.
1: Обнаружение головы
Для этого требуется, чтобы магнитное поле было перпендикулярно детектору Холла, как показано ниже:
Этот метод создает выходной сигнал V ЧАС , который измеряет плотность магнитного потока в линейных устройствах в зависимости от расстояния от датчика Холла. Выходное напряжение увеличивается с увеличением силы магнитного поля и его близости.
2: Обнаружение бокового движения
Для этого требуется непрямой магнитный поток, в то время как магнит движется вбок через элемент с эффектом Холла.
Боковые или подвижные датчики могут измерять скорость вращающихся магнитов или двигателей, обнаруживая магнитное поле, скользящее по поверхности элемента Холла на определенном расстоянии от воздушного зазора.
Положительное или отрицательное линейное выходное напряжение может создаваться в зависимости от положения магнитного поля, проходящего через центральную линию нулевого поля датчика. Он определяет вертикальные и горизонтальные движения.
3: Контроль положения
Детектор положения остается в выключенном состоянии при отсутствии магнитного поля. Как только южный полюс магнита перемещается в перпендикулярном направлении к датчику Холла, устройство включается и светодиод загорается. При включении датчик Холла находится во включенном состоянии.
Чтобы выключить светодиод, магнитное поле должно упасть ниже минимально обнаруживаемой точки срабатывания или оно также может столкнуться с противоположным северным полюсом с отрицательным значением гаусса.
Заключение
Датчики Холла используются для определения направления, а также силы магнитных полей. Они используются в самых разных приложениях, включая автомобильную промышленность, определение приближения, определение положения головы, боком и различных магнитных полей.