Датчик Холла, виды, устройство и принцип работы.
Датчик Холла — это датчик магнитного поля, на двигателе он фиксирует магнитные импульсы от сопряженного с ним устройства (трамблёр, распредвал) и на основе его показаний распределяется искра по цилиндрам.
Современный автомобиль может похвастаться наличием нескольких десятков датчиков. Есть датчики, контролирующие количество топлива, есть датчики, проверяющие давление в двигателе, но самым незаменимым является датчик Холла.
Впервые он был применен при строительстве автомобилей еще более 70 лет назад, и с тех пор достойной альтернативы ему не нашлось. Он продолжает использоваться, и каждый из автомобилистов наслышан о его существовании.
Что представляет собой датчик Холла и для чего он нужен в автомобиле.
Данный датчик единственный в автомобиле, который имеет собственное имя. Он назван в честь известного американского физика Эдвина Холла, который открыл особенности поведения полупроводника в магнитном поле.
В техническом плане датчик Холла представляет собой простейшее магнитоэлектрическое устройство. Фактически это датчик, который фиксирует наличие магнитного поля. Принцип его действия достаточно прост, и в нем вполне можно разобраться.
Конструктивно, работает это следующим образом. Плоский проводник под напряжением помещается в магнитное поле. Под действием магнитного поля, ток смещается в одному краю проводника, таким образом возникает разница потенциалов.
В автомобиле, датчик Холла работает как обычный ключ (размыкатель и замыкатель). Магнит вращается в трамблере машины, и влияет на датчик, закрепленный стационарно. Когда датчик «чувствует» магнитное поле трамблера, он подает импульс, который вызывает искру зажигания.
Собственно, данный датчик – один из основных элементов системы зажигания автомобили. Он присутствует в любой машине вне зависимости от ее стоимости. Кроме того, он может быть использован в цифровых спидометрах и тахометрах, проверять скорость вращения передаточных колес и контролировать работу антиблокировочной системы автомобиля.
Также стоит отметить тот факт, что датчик Холла очень надежен. Сам по себе он может работать долгие годы, и чаще всего, поломка происходит из-за физического воздействия или чрезмерного загрязнения датчика. Достаточно часто, датчик Холла специально устанавливают таким образом, чтобы его можно было быстро снять и заметить. Исключение составляют лишь устройства, которые контролируют работу сложных систем автомобиля.
Виды современных датчиков Холла.
Техническая революция коснулась даже консервативного датчика Холла. Благодаря применению современных полупроводниковых материалов, устройство стало намного меньше, компактнее и надежней. В настоящее время различают аналоговые и цифровые датчики Холла.
- Аналоговый датчик. Данное устройство с полным правом можно считать классическим, так как именно оно появилось первым. Принцип работы устройства следующий – индукция магнитного поля преобразуется в напряжение в зависимости от силы поля. Чем сильнее магнитное поле – тем больше будет напряжение.
Кроме того, имеет значение расстояние, на котором находится магнит, излучающей поле. В настоящее время подобные датчики практически не используются в автомобилях, так как имеют значительные размеры и устаревшую конструкцию. - Цифровые датчики. Работает лишь в двух положениях (магнитное поле зафиксировано и не зафиксировано). Индукция достигается лишь в том случае, если магнитное поле превысило определённое значение. Если индукция слишком слабая, то датчик попросту не сработает. Самый распространённый тип датчика, повсеместно используется в автомобильной промышленности. В свою очередь, цифровые датчики подразделяются на униполярные и биполярные. Униполярные датчики срабатывают при нарастании магнитного поля, и выключаются, когда сила магнитного поля ослабевает. В свою очередь, биполярные датчики реагируют не на силу магнитной индукции, а на полярность. Говоря проще одна полярность включает датчик, а другая выключает его. Также, стоит отметить тот факт, что цифровой датчик Холла имеет сложную конструкцию.
Кроме того, имеет значение расстояние, на котором находится магнит, излучающей поле. В настоящее время подобные датчики практически не используются в автомобилях, так как имеют значительные размеры и устаревшую конструкцию.
Как проверить работоспособность датчика Холла?
Существует несколько способов проверки данного датчика. Каждый из них может быть использован в тех или иных обстоятельствах, и имеет право на существование.
- Проверка с помощью тестера. Необходимо взять любой цифровой тестер, установить его в режим вольтметра, и померять напряжение на датчике Холла. Правильно работающий датчик будет показывать напряжение от 0,2 и до 3 Вольт. Если напряжение отсутствует вовсе или выше трех Вольт, то датчик вышел из строя и нуждается в срочной замене.
- Проверка с помощью аналогично работающего устройства. Вместо датчика Холла, работоспособность которого необходимо проверить, можно подключить аналогично работающее устройство. Создать устройство, использующее в работе эффект Холла не сложно. Необходим небольшой кусок провода и колодка с распределителем. Естественно, автомобиль не может использовать такую конструкцию в течение долгого времени, но для однократной проверки этого более чем достаточно.
- Проверка с помощью нового датчика Холла. Можно установить изначально исправный датчик Холла, и таким образом решить проблему с диагностикой неисправности.
Это достаточно затратный вид ремонта, но в случае если неисправность крылась именно в датчике, это сразу решит проблему с установкой и заменой.
ᐉ Системы зажигания с датчиком Холла
Магнитоэлектрический датчик Холла получил свое название по имени Э. Холла американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление.
Элемент Холла представляет собой тонкую пластинку, выполненную из полупроводникового материала (кремний, германий), с четырьмя электродами. Если через такую пластинку проходит ток I и на нее одновременно действует магнитное поле, вектор магнитной индукции В которого перпендикулярен плоскости пластинки, то на параллельных направлению тока гранях возникает э.
д.с. Холла, которое определяется по следующему выражению:
Uн = кхIВ/d,
кх – постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; d – толщина пластинки
Рис. Принцип работы элемента Холла:
1 – магнит; 2 – пластинка из полупроводникового материала
Через пластинку пропускается ток примерно 30 мА, тогда как напряжение Холла составляет 2 мВ, увеличиваясь с ростом температуры. Пластинка обычно представляет одно целое с интегральной схемой, осуществляемой усиление и формирование сигнала.
Если между магнитом и полупроводником поместить перемещающийся экран с прорезями, получим импульсный генератор Холла.
Схема прерывателя-распределителя с датчиком Холла представлена на двух следующих рисунках.
Рис. Принцип работы датчика Холла:
1 – постоянный магнит; 2 – ротор; 3 – элемент Холла; 4 – операционный усилитель; 5 – формирователь импульсов; 6 – выходной каскад; 7 – блок стабилизации
Магнитное поле создается постоянным магнитом 1, а прерывание магнитного поля осуществляется ротором (экраном) 2 с окнами, укрепленным на валике распределителя.
При прохождении окна ротора около постоянного магнита силовые линии его магнитного поля пронизывают поверхность элемента Холла и на его выходе возникает ЭДС. Если воздушный зазор между магнитом и элементом Холла перекрывается шторкой, магнитное поле замыкается на шторку экрана и не попадает на элемент Холла.
Рис. Схема прерывания магнитного потока:
1 – датчик Холла; 2 – держатель датчика; 3 – воздушный зазор; 4 – магнитный поток; 5 – ротор
Количество шторок и окон экрана соответствует количеству цилиндров двигателя. Ширина шторки экрана соответствует углу, при котором выходной транзистор коммутатора пропускает ток через первичную обмотку зажигания.
Учитывая небольшое напряжение, вырабатываемое элементом Холла, оно обрабатывается и усиливается.
Операционный усилитель 4 усиливает сигнал датчика и через формирователь импульсов 5 подает сигнал на базу выходного транзистора 6 и открывает его. Для исключения влияния на выходной сигнал датчика колебаний напряжения сети и температуры в схеме датчика имеется блок стабилизации 7.
При нахождении шторки экрана в щели воздушного зазора, величина магнитного потока резко падает, вследствие замыкании магнитного потока на шторку.
Рис. Импульсы датчика Холла:
В – магнитная индукция; Uн – напряжение, вырабатываемое элементом Холла; Ug – напряжение, вырабатываемое датчиком Холла; I – ток первичной обмотки катушки зажигания; tz – момент зажигания электрической искры; а – изменение магнитной индукции; б – изменение напряжения, вырабатываемого элементом Холла; в – изменение напряжения, вырабатываемого датчиком Холла; г – изменение силы тока первичной катушки зажигания.
Напряжение, вырабатываемое элементом Холла Uн, поступает на операционный усилитель, где происходит усиление сигнала. После этого ток поступает на формирователь импульсов и там происходит переработка из аналогового сигнала в цифровой. Затем полученный цифровой сигнал поступает на выходной каскад и окончательно усиливается до величины напряжения Ug, достаточного для работы транзисторного коммутатора.
При этом напряжение Ug за счет инверсии выходного каскада вырабатывается в момент отсутствия напряжения Uн с входа элемента Холла, т.е. в момент перекрытия шторкой экрана воздушного зазора, что соответствует напряжению Uн ниже 0,4 В. В таком положении экрана транзистор выходного каскада Т0 находится в открытом состоянии, при этом от коммутатора через транзистор Т0 проходит ток и при этом база транзистора Т1 соединяется с массой.
Рис. Электрическая схема коммутатора и датчика Холла:
1 – датчик Холла; 1а – выходной сигнал; 2 – коммутатор; 3 – замок зажигания; 4 – дополнительный резистор; 5 – шунтирование дополнительного резистора; 6 – катушка зажигания
Учитывая, что проводимость транзистора Т1 n-p-n, отсутствие положительного потенциала этого транзистора приводит к его закрытию. В результате этого прекращается подача положительного потенциала на базу В через резистор R4 и коллекторно-эмитерный переход транзистора Т1. При этом ток не проходит через резистор R7 и база В включения транзисторов Т2/Т3 замыкается на массу.
Учитывая проводимость этих транзисторов n-p-n, отсутствие положительного заряда на базе В, транзисторы закрываются и ток в первичную обмотку катушки зажигания не поступает. При выходе экрана из воздушного зазора напряжение с элемента Холла достигает 0,4В и через первичную обмотку катушки зажигания начинает протекать ток.
В момент попадания зуба ротора в зазор датчика на выходе датчика создается напряжение Umax примерно на 3 В меньше напряжения питания. Если через зазор датчика проходит прорезь ротора, напряжение на выходе датчика Umin близко к нулю (не более 0,4 В). Отношение периода Т к длительности Ти (скважность) равна трем. Напряжение питания датчика соответствует напряжению бортовой сети и находится в пределах 8…14 В.
Для преобразования управляющих импульсов бесконтактного датчика в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания применяются коммутаторы. Коммутатор преобразует управляющие импульсы датчика в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания. Коммутатор соединен с генератором импульсов (бесконтактным датчиком) тремя проводниками.
Коммутатор управляет зажиганием в зависимости от частоты вращения валика датчика-распределителя, напряжения аккумулятора, полного сопротивления катушки зажигания и при любых режимах работы двигателя выдает импульсы напряжения постоянной величины. Во время прохождения положительного импульса (напряжение Umax ) от бесконтактного датчика происходит постепенное ( в течении 4…8 мс) нарастание тока в первичной обмотке катушки зажигания до максимальной величины В равной 8…9 А. В момент, когда напряжение на выходе датчика падает до Umin , выходной транзистор коммутатора закрывается и ток через первичную обмотку катушки зажигания резко прерывается. В результате во вторичной обмотке индуцируется импульс высокого напряжения.
Отдельно элементы прерывателя-распределителя с датчиком Холла показаны на рисунке. Пластинка и остальные составляющие датчика Холла устанавливается внутри пластмассового корпуса, залитого смолой. Датчик Холла неразборный и не подлежит ремонту. Для соединения с коммутатором датчик Холла имеет 3 вывода.
Рис. Элементы прерывателя-распределителя с датчиком Холла:
1 – ротор: 2 – шторка; 3 – держатель датчика Холла; 4 – постоянный магнит и датчик Холла; 5 – воздушный зазор
Датчик-распределитель выдает управляющие импульсы низкого напряжения и распределяет импульсы высокого напряжения по свечам зажигания. Он имеет центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания. Бесконтактный датчик в сборе с опорной пластиной имеет возможность поворачиваться в зависимости от разряжения, подводимого к вакуумному регулятору.
Катушка зажигания, адаптированная к данной системе зажигания, установлена рядом с коммутатором. Она преобразует прерывистый ток низкого напряжения (12 В) в ток высокого напряжения (20…25 кВ) необходимый для пробоя воздушного зазора между электродами свечей зажигания. Катушка имеет в верхней части отверстие, закрытое пробкой диаметром 5.5 мм для защиты катушки от избыточного внутреннего давления. Пробка выталкивается из отверстия при росте давления вследствие повышения температуры из-за короткого замыкания.
Датчики Холла — Littelfuse
- Перекрестная ссылка конкурента
Нужна деталь Littelfuse, эквивалентная детали конкурента? Введите номер детали конкурента здесь.
- Образец заказа
Найдите номер детали, по которой вы хотите получить образцы. Или посетите страницу центра образцов.
- Проверить запас дистрибьютора
- Проверьте уровень складских запасов дистрибьютора, введя полные или частичные номера деталей
- Домашнее хозяйство
- > Промышленность
- > Общепромышленное производство и переработка
- > Магнитные датчики и герконы
- > Датчики Холла
- Печать
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Датчики Холла — физические вычисления
Содержание
- Введение
- Эффект Холла
- Датчики Холла
- Применение датчиков Холла
- Аналоговый и двоичный выход
- Аналоговые датчики Холла
- Двоичные (переключаемые) датчики Холла 9 0010
- Герконы
- Датчик Холла DRV5055
- Проводка DRV5055
- Реакция датчика на магнитное поле
- Делаем вещи
- Создание волшебного магнитного осветлителя светодиодов
- Видео с рабочего места
- Улучшение схемы
- Создание волшебного магнитного осветлителя светодиодов на основе Arduino
- Схема Arduino на эффекте Холла
- Код
- Видео верстака
- Каталожные номера
- Видео
- Цитаты
В этом уроке вы познакомитесь с двумя типами магнитных датчиков: датчиками Холла и герконами.
Затем вы будете использовать датчик Холла DRV5055 для создания простой схемы светодиода с автояркостью сначала без, а затем с микроконтроллером.
Введение
Магнитные датчики, такие как герконы и датчики Холла, реагируют на присутствие магнитного поля. Это действительно вездесущие датчики, которые можно найти во всем: от автомобильных цепей управления и систем контроля жидкости до электронных устройств, таких как мобильные телефоны и компьютеры. В то время как герконы являются электромеханическими: два внутренних контакта физически замыкаются, когда правильно ориентированное магнитное поле находится в пределах досягаемости, датчики Холла представляют собой твердотельные преобразователи (без движущихся частей): они преобразуют магнитную энергию в электрическую и могут использоваться как аналоговые датчики или переключатели.
Основным преимуществом датчиков на основе магнита является то, что сам магнит не нуждается в питании и даже может быть полностью заключен в движущуюся часть, такую как окно, колесо, турбина и т.
д. и т. д. Например, велосипедный тахометр работает, прикрепляя магнит к велосипедному колесу (которое вращается), в то время как датчик Холла или геркон прикрепляется к вилке колеса и используется микроконтроллером для подсчета оборотов. Датчики на основе магнитов также обычно используются для отслеживания вращения электродвигателей постоянного тока, которые уже содержат магниты для питания двигателя.
Два примера системы слежения за колесами велосипеда (слева и посередине), а также велосипедный спидометр. Как правило, эти системы изготавливаются с датчиками на эффекте Холла или герконами для измерения оборотов колеса, которые преобразуются в расстояние и скорость с помощью небольшого компьютера с дисплеем (часто установленным на руле). Примечание: чтобы использовать эту систему, велосипедист должен сначала выполнить шаг калибровки, переместив колесо на заданное расстояние (тем самым предоставив необходимые данные для преобразования оборотов в расстояние).
Эффект Холла
Как взаимодействуют электрические и магнитные поля? Возможно, вы помните, что электрический ток создает магнитное поле (вспомните правило правой руки из школьного курса физики).
Но влияет ли магнитное поле на ток? Да!
Электричество и магнетизм давно интересовали людей, но считались отдельными явлениями. Только в конце 19 века, когда Джеймс Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме» , электричество и магнетизм были объединены в одну взаимосвязанную силу: электромагнетизм. Но остались ключевые вопросы, в том числе, наиболее актуальные для нас: как сделать магниты взаимодействуют с электрическим током ?
Входит Эдвин Холл. Будучи аспирантом Университета Джона Хопкинса в 1879 году, Холл открыл «эффект Холла», который представляет собой создание небольшой разности потенциалов на электрическом проводнике поперек электрического тока при приложении магнитного поля (Википедия). Эта анимация от How to Mechatronics помогает продемонстрировать эффект. Когда вводится магнит, он отталкивает отрицательные заряды на одну сторону проводника, создавая асимметричное распределение заряда (перпендикулярно потоку тока) на проводнике.
Это разделение заряда создает новое электрическое поле с небольшим электрическим потенциалом (часто в милливольтах), который можно измерить мультиметром или подобным устройством.
Анимация из книги «Как сделать мехатронику»
Обратите внимание, что хотя анимация показывает прекращение тока в проводнике во время эффекта Холла, это не так. Ток продолжает течь даже в присутствии магнитного поля. Анимация также не показывает, что при переворачивании магнита эффект Холла также меняется на противоположный: отрицательные и положительные заряды сместятся в противоположные стороны проводника (и опять же, это смещение равно поперечных к потоку тока).
Запутались? Это нормально!
Чтобы лучше понять эффект Холла, посмотрите это 5-минутное видео от профессора Боули из Ноттингемского университета. Он предоставляет замечательный набор визуальных экспериментов и объяснений (лучших из тех, что мы видели), которые должны прояснить ситуацию:
youtube.com/embed/AcRCgyComEw» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»/> В этом замечательном видео из Университета Ноттингема профессор Боули объясняет физику эффекта Холла.
Датчики Холла
9Датчики на эффекте Холла 0006 используют «эффект Холла» для измерения величины проксимального магнитного поля. Точнее, датчики на эффекте Холла измеряют «магнитный поток» (\(Φ\)), который представляет собой полное магнитное поле \(\vec{B}\), проходящее через заданную область \(\vec{A}\) (где A — площадь чувствительного элемента по нормали к магнитному полю): \(Φ = \vec{B} \cdot \vec{A}\). В то время как индуктивные датчики реагируют на изменяющихся магнитных полей, одним из преимуществ датчиков Холла является то, что они работают со статическими (неизменяющимися) полями. Таким образом, датчик Холла может реагировать на магнит, даже если он не движется. Моделирование магнитного потока магнита NdFeB.
Изображение из таблицы данных датчика Холла DRV5055.
Поскольку векторы магнитного поля текут от северного полюса магнита к южному, магнитный поток будет изменяться в зависимости от ориентации магнита относительно датчика Холла. Величина магнитного потока максимальна, когда полюса магнита ортогональны датчику. Чтобы узнать больше о магнитном потоке, посмотрите этот урок Академии Хана.
Применение датчика Холла
Датчики на эффекте Холла используются в ряде потребительских и промышленных приложений, от автомобилей до мониторинга жидкостей и автоматизации зданий. Некоторые приложения, такие как определение положения сиденья и ремня безопасности, используют датчики на эффекте Холла для локализации объектов, в то время как другие используют датчики на эффекте Холла для бесконтактных измерений постоянного тока (измерение индуцированного магнитного поля с помощью тока через провод). Одни только современные автомобили содержат 10 или более датчиков Холла для всего, от определения положения стеклоочистителей до педалей тормоза и газа и системы зажигания (Landuyt et al.
, SPLC’14).
В своем справочнике по датчикам Холла Honeywell предлагает десятки идей по применению:
Подмножество идей по применению датчиков Холла, представленных в справочнике Honeywell.
Аналоговый и двоичный выход
Датчики Холла могут обеспечивать либо аналоговый , либо двоичный выход. В любом случае это активных датчиков с тремя контактами (\(V_{CC}\), \(GND\) и \(Out\)).
Аналоговые датчики Холла
В предыдущих уроках мы рассмотрели резистивные датчики, такие как чувствительные к силе резисторы и фоторезисторы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от внешнего воздействия. Напротив, аналоговый датчик на эффекте Холла выдает переменное напряжение . Это напряжение прямо пропорционально воспринимаемой плотности магнитного потока.
Бинарные (переключающие) датчики Холла
Некоторые датчики Холла действуют как переключатели: либо включены (при наличии достаточно сильного магнитного поля), либо выключены (если нет).
Например, US5881LUA, продаваемый Adafruit, обычно имеет размер 9.0597 ВЫСОКИЙ , но переключается на НИЗКИЙ при наличии южного магнитного полюса . Некоторые переключатели на эффекте Холла фиксируются и остаются в активированном состоянии даже при удалении магнита. Например, фиксирующий датчик Холла US1881 переключается на HIGH при наличии северного магнитного полюса, но остается в этом состоянии даже после удаления магнита и до тех пор, пока не будет обнаружен южный магнитный полюс.
Для получения бинарного выхода эти датчики на эффекте Холла имеют дополнительный внутренний элемент, называемый триггером Шмитта, подключенный к аналоговому выходу, который преобразует внутренний аналоговый выходной сигнал во внешний цифровой выход ( ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ ). Смотрите это видео от «Как к мехатронике».
Герконы
Изображение из Википедии.
Хотя некоторые датчики на эффекте Холла выдают бинарный выходной сигнал ( HIGH или LOW ) и, таким образом, могут функционировать как переключатели, их не следует путать с герконами, которые являются электромеханическими устройствами. В герконовом переключателе два контакта из ферромагнитного металла замыкаются в присутствии магнитного поля (в остальном они нормально разомкнуты). Поскольку геркон представляет собой механическое устройство, контакты переключателя со временем изнашиваются. Смотрите анимации ниже.
| Анимация геркона | Видео активации замедленной съемки |
|---|---|
Видео с замедленной активацией взято из Википедии.
Геркон — это пассивный датчик: его контакты замыкаются в присутствии магнитного поля независимо от того, включен ли он в цепь. В отличие от датчиков Холла, герконы не чувствительны к полярности магнитного поля; однако магнитное поле должно быть параллельно камышам — либо с севера на юг, либо с юга на север.
См. рисунок ниже.
В датчике на эффекте Холла плотность магнитного потока через датчик максимальна, когда магнитный полюс направлен прямо к датчику. У геркона магнитные полюса должны быть параллельны датчику. Изображение получено от KJMagnetics.
Вот видео, демонстрирующее работу геркона с тремя различными магнитами от K&J Magnetics:
Датчик Холла DRV5055
В наших комплектах оборудования мы предоставляем логометрический линейный датчик Холла DRV5055 Texas Instruments (TI), который изменяет свое выходное напряжение пропорционально плотности магнитного потока. Ратиометрический означает, что выходное напряжение датчика пропорционально напряжению питания (\(V_{CC}\)).
DRV5055 может работать с источниками питания 3,3 В и 5 В (с допуском +/- 10 %). Датчик может сниматься на частоте 20 кГц.
Чтобы обеспечить надежное выходное напряжение в различных условиях развертывания, микросхема DRV5055 включает в себя схемы температурной компенсации, компенсацию механических напряжений, преобразование сигнала и усиление. Таким образом, несмотря на небольшой размер, в этот аппарат встроено значительное количество сложного оборудования.
Доступны два комплекта: комплект для поверхностного монтажа SOT-23 (левый рисунок внизу) и комплект для сквозного монтажа TO-92 (справа). Мы будем использовать сквозной пакет (ТО-92).
Два корпуса DRV5055 с конфигурацией контактов и расположением элемента Холла помечено красным (в центре датчика) , ногу 2 к \(GND\), а ногу 3 к аналоговому входному контакту на вашем Arduino (скажем, A0 ).
*TI рекомендует подключать 1-ю ветвь к керамическому конденсатору с заземлением емкостью не менее 0,01 мкФ. это называется развязывающий конденсатор (или шунтирующий конденсатор) и является обычным дополнением, помогающим сгладить подачу напряжения во время работы датчика.
См. схему подключения ниже. Хотя это не является абсолютно необходимым — и у некоторых из вас может не быть доступа к керамическим конденсаторам — это рекомендуется (это повысит производительность и надежность). Чтобы увидеть влияние добавления развязывающего конденсатора на подачу напряжения на микросхему, посмотрите это видео. Дэйв Джонс из EEVblog также предлагает хороший урок на доске (ссылка).
Мы включили две эквивалентные проводки Arduino. Левая диаграмма включает макетную плату, которая, по нашему мнению, может немного сбить с толку тех, кто все еще знаком с макетными платами. Средняя схема — та же разводка, но без макетной платы. Схема справа скопирована/вставлена непосредственно из таблицы данных DRV5055.
Реакция датчика на магнитное поле
Итак, как выходной контакт DRV5055 (ножка 3) реагирует на магнитное поле?
При отсутствии магнитного поля аналоговый выход управляет половиной от \(V_{cc}\). Таким образом, на Arduino Uno AnalogRead(A0) вернет 512 (1023/2) в состоянии по умолчанию (без магнита).
Затем выходной сигнал датчика будет линейно изменяться в зависимости от приложенной плотности магнитного потока. Если южный полюс магнита обращен к датчику, аналоговый выход увеличится между \(V_{cc}/2\) — \(V_{cc}\). Если северный полюс обращен к датчику, выходное напряжение уменьшится с \(V_{cc}/2\)) до 0 В. См. приведенный ниже график магнитного отклика и раздел 7.3.2 технического описания DRV5055.
График магнитного отклика датчика Холла DRV5055. На диаграмме справа показан южный полюс магнита, ортогональный сенсорной поверхности, что приводит к положительному \(\vec{B}\) и аналоговому выходному напряжению > \(V_{cc}/2\). Если ориентация магнита изменена таким образом, что северный полюс обращен к датчику, то \(\vec{B}\) будет отрицательным, а аналоговое выходное напряжение будет находиться в диапазоне от 0 до \(V_{cc}/2\) .
Давайте сделаем что-нибудь
Сначала мы собираемся использовать датчик Холла в «голой» схеме без микроконтроллера, а затем покажем, как использовать датчик с Arduino.
Сделайте волшебный магнитный осветлитель светодиодов
Давайте воспользуемся датчиком эффекта Холла для автоматического изменения яркости нашего светодиода. Напомним, что \(V_{out}\) увеличивается по мере приближения к южному полюсу магнита, а \(V_{out}\) уменьшается по мере приближения к северному полюсу. Давайте используем это свойство для управления яркостью нашего светодиода.
Даже с этой простой схемой открывается множество творческих возможностей: представьте себе свет в стиле Гарри Поттера, который включается только тогда, когда палочка волшебника приближается (светильник будет содержать датчик Холла, а палочка — магнит).
В техническом описании DRV5055 указано, что максимальный непрерывный выходной ток составляет 1 мА. Используя закон Ома, мы можем рассчитать безопасное значение сопротивления токоограничивающего резистора, чтобы светодиод не потреблял слишком много тока. \(I=\frac{V_{cc} — V_f}{R} \to 1mA=\frac{5V-2V}{R} \to R=\frac{3V}{0,001A} = 3000Ω\).
Итак, мы будем использовать 3,3 кОм.
Мы включили две схемы подключения: слева рекомендуемая схема подключения согласно спецификации DRV5055 с развязывающим конденсатором, а справа такая же схема подключения, но без конденсатора. Оба будут работать одинаково для наших целей, поэтому, если у вас нет под рукой конденсатора, просто сделайте схему справа.
Видео верстака
А вот видео верстака, демонстрирующее схему (без конденсатора). Во второй половине видео показаны два мультиметра: один для измерения тока в цепи, а другой для измерения выходного напряжения датчика Холла.
Мое голосовое повествование довольно мягкое, так как я записывал видео рано утром и не хотел беспокоить свой дом! 😀
Улучшение схемы
Что, если бы мы хотели подать более 1 мА через наш светодиод? У нас есть два варианта:
- Как и в случае с нашей схемой фоторезистора, мы можем изменить нашу схему, чтобы использовать транзистор . В этом случае выход датчика Холла будет подключен к транзистору, который будет управлять током через наш светодиод. Если у вас есть транзистор, не стесняйтесь попробовать это!
- Мы могли бы перейти к использованию микроконтроллера, что мы и собираемся сделать!
В этом случае выход датчика Холла будет подключен к транзистору, который будет управлять током через наш светодиод. Если у вас есть транзистор, не стесняйтесь попробовать это!Создание волшебного магнитного осветлителя светодиодов на основе Arduino
Давайте адаптируем нашу схему для использования Arduino. Мы создадим одну схему для считывания показаний датчика Холла на A0 и другую схему для включения и автоматического увеличения яркости светодиода с помощью ШИМ (через контакт 3 GPIO).
Схема Arduino на эффекте Холла
Ниже мы приводим две схемы подключения: одну с развязывающим конденсатором (0,01 мкФ) и одну без него. Развязывающий конденсатор необходим для обеспечения постоянного напряжения питания во время работы датчика Холла; однако это не обязательно для простого прототипирования и обучения.
Код
Наш код самый простой из возможных.
Мы просто считываем выходное напряжение датчика Холла на A0 и напрямую преобразуем его в выход ШИМ светодиода. Напомним, что датчик на эффекте Холла выдает \(V_{cc}/2\), когда магнит отсутствует. Таким образом, светодиод «включен наполовину» ( AnalogWrite(LED_PIN, 128) ) без магнита, полностью яркий, когда южный полюс обращен прямо перед датчиком, и полностью выключен, когда северный полюс обращен прямо к датчику. перед датчиком.
Одно простое изменение, которое вы можете попробовать: когда магнита нет, выключите светодиод. При обнаружении южного или северного полюса магнитного поля яркость светодиода увеличивается соответствующим образом.
Этот исходный код находится на GitHub.
Видео Workbench
Ссылки
- Техническое описание TI DRV5055, Texas Instruments
- Датчики на эффекте Холла и их применение, Honeywell
- 5 Распространенные мифы о датчиках Холла, Техас Инструменты
Видео
- Что такое эффект Холла и как работают датчики Холла, как работать с мехатрониками
- Датчики Холла, Ludic Science
- Учебное пособие по Arduino: тахометр (счетчик оборотов), InterlinkKnight или Учебное пособие, EEVblog
Цитаты
Димитри Ван Ландуит, Стивен Оп де Беек, Арам Овсепян, Сэм Михилс, Воутер Йоосен, Свен Мейнкенс, Гьялт де Йонг, Оливье Баре и Матье Ашер.