Датчик Холла | Виды, принцип работы, как проверить
Что такое 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
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:
где
Supply Voltage – напряжение питания датчика
Ground – земля
Voltage Regulator – регулятор напряжения
А – операционный усилитель
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.
[quads id=1]
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.
устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя
Датчик Холла — прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Его работа основана на эффекте Холла, который представляет собой явление возникновения разности потенциалов в магнитном поле при помещении в него проводника с постоянным током. Это устройство нашло широкое применение в различных приборах и механизмах.
История создания прибора
В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток. Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.
Это явление получило название эффекта Холла и привлекло внимание общественности. Спустя 75 лет, когда промышленность начала выпускать полупроводниковые пленки, это открытие нашло широкое применение в области техники.
- В электронном зажигании на автомобилях.
- В двигателях компьютерного дисковода и вентилятора.
- Как основа электронного компаса в смартфонах.
- В бесконтактных электрических приборах для измерения силы тока и напряжения.
- В некоторых моделях ионных реактивных двигателей.
Первые разновидности датчиков стали выпускаться в середине XX века. В 1965 году американские специалисты создали твердотельный прибор, который значительно улучшил работу оборудования. Датчики считаются практически вечными, так как не имеют взаимодействующих и трущихся элементов.
Конструктивные особенности
Наиболее эффективными материалами для изготовления датчика считаются полупроводники арсениды галлия и индия. Чаще прибор представляет собой пленку, толщина которой не превышает 10 мкм. Датчик имеет три клеммы:
- питающая с входным напряжением 6В;
- нулевой контакт;
- выходная, с которой сигнал поступает на коммутатор.
Клемма, к которой подходит питание, широкая и занимает всю сторону прямоугольника. Выходная клемма обладает точечным электродом. В качестве нулевого контакта выступает общая точка. Так как при отсутствии магнитного поля на контактах остается небольшой сигнал, то для коррекции выходных данных применяется дифференциальный усилитель.
Микросхема наносится на подложку методом литографии, что позволяет повысить точность показаний. Обычно в различных приборах это применяется для проверки положения элементов механизма.
Принцип действия
Принцип работы датчика Холла основан на гальваномагнитном явлении, которое показывает результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником. Полупроводник подключен к электрической цепи, которая меняет его свойства.
Как только появляется поперечное напряжение, то сразу возникает эффект Холла. В этот момент заряд направлен перпендикулярно вектору поля. Такое явление объясняется воздействием на электроны или дырки силы Лоренца, которая и приводит к их отклонению.
Под воздействием этой силы частицы в полупроводнике двигаются в разные стороны, в соответствии со своим знаком. На одной стороне пластины собираются электроны (отрицательный заряд), а на другой частицы с положительным знаком.
По мере накопления зарядов между ними возникает электрический поток, который препятствует их перемещению под воздействием силы Лоренца. При достижении равенства этой силы и магнитного поля полупроводник вступает в фазу равновесия. Именно так и работает датчик Холла.
Виды устройств
Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля. Существуют датчики двух видов:
- цифровые;
- аналоговые.
Цифровые приборы бывают биполярными и униполярными. Биполярные элементы работают в зависимости от полярности магнитного поля, то есть одна включает датчик, а вторая отключает.
Униполярные приборы включаются при появлении любой полярности и отключаются по мере ее уменьшения. Цифровые сенсоры измеряют индукцию и появление соответствующего напряжения, то есть наличие или отсутствие магнитного поля.
Прибор показывает единицу, когда индукция поля достигает пороговое значение. До этого момента сенсор будет показывать ноль. Такой датчик не сможет определить наличие магнитного поля со слабой индукцией. Кроме того, на точность показаний будет влиять дистанция до измеряемого объекта.
Применение датчика
Широко применяются преобразователи Холла в современной бытовой технике. С их помощью происходит взвешивание белья в стиральных машинах. При запуске агрегата вещи сначала намокают, а потом начинает вращаться барабан. По его скорости вращения определяется общий вес и происходит программирование машины на расход порошка, воды и ополаскивателя.
В серийном производстве впервые датчики стали использоваться в компьютерных клавиатурах. Здесь происходит взаимодействие чувствительного элемента на плате и магнита на клавишах. Упругость осуществляется за счет полимерного материала, который обладает большим сроком службы.
Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.
Благодаря индуктивности из медной проволоки, находящейся в клещах, создается возбуждение и образуется электромагнитная волна. Часть ее значения оценивается сенсором, который передает данные в контроллер. По заложенным в нем формулам производится расчет, и результат выводится на дисплей.
Применяются датчики в сотовых телефонах для слежения за зарядом аккумулятора и его расходом. Но очень важным такой момент считается в эксплуатации электромобилей, так как наличие энергии в них занимает особое место. Используются преобразователи Холла в электронных компасах и в качестве стабилизатора изображений в мобильных камерах.
Но особенно широко эти приборы применяются в автомобильной промышленности. В автомобилях с их помощью происходит определение частоты вращения коленвала двигателя, положение дроссельной заслонки, скорости движения автомобиля и так далее. Применяется датчик в электронной системе зажигания. Находится он в трамблере и заменяет контакты для образования искры.
Использование сенсоров в смартфонах
Благодаря небольшим размерам датчики Холла нашли широкое применение в современных электронных гаджетах. В смартфонах они помогают возвращать экран в исходное положение, обеспечивают быстрый запуск GPS поиска, увеличивают срок службы аккумуляторной батареи и так далее.
Способность реагировать на магнитное поле используется в раскладывающихся телефонах и ноутбуках. Благодаря наличию датчика, происходит включение устройств при открытии и отключение при закрытии экрана. В смартфонах такую же функцию выполняет датчик, который взаимодействует с магнитом, встроенным в чехол книжку. Когда чехол открывается, то воздействие поля ослабевает и сенсор включает подсветку экрана. Преобразователь Холла в гаджетах выполняет следующие полезные функции:
- обеспечивает ориентирование по отношению к горизонту земли;
- работает в качестве компаса мобильного устройства;
- совершает ориентирование экрана.
Немаловажное значение датчик имеет в устройстве видеокамеры. Вкупе со специальной микросхемой он позволяет корректировать качество изображения. Особенно это проявляется при съемках в вечернее время.
принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение
Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.
Описание и применение
Контроллер, в основе которого лежит действие эффекта Холла, относится к датчикам магнитного типа. Они выдают электрический сигнал в зависимости от изменения магнитного поля вокруг них.
Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов.
Регистр Холла работает следующим образом:
- вокруг него создается магнитное поле, активирующее контроллер;
- при внесении в поле какого-либо объекта, оно выходит за первоначальные границы; датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.
Напряжение называется напряжением Холла.
На основе датчика Холла собирают контроллеры приближения, движения, переключатели и другие полезные в быту и промышленности устройства.
Виды, устройство и принцип действия
Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.
Цифровые
Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.
Контроллеры подобного типа делятся на три вида:
- Униполярные.
- Биполярные.
- Омниполярные.
Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.
Униполярные
Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса. Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.
Биполярные
Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.
Омниполярные
Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.
Аналоговые
В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.
Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.
Применение
И аналоговые (линейные), и цифровые контроллеры нашли широкое применение во всех сферах жизни.
Линейные
Из-за большого количества уровней выходного напряжения такие контроллеры часто применяют в измерительной технике.
Датчик тока
Регистр тока на ДХ сделать очень просто. Необходимо установить лишь правильный преобразователь, который из напряжения, создаваемого в результате прохождения тока через проводник, будет получать ток. Ток с напряжением связаны законом Ома.
Тахометр
Тахометр измеряет частоту вращения чего-либо. Например, вала. Сделать такое устройство на ДХ очень просто. Достаточно установить датчик рядом с вращающимся объектом, а на сам объект повесить небольшой магнит.
Как только магнит будет проходить рядом с датчиком, индукция поля будет изменятся, как и величина напряжения на выходе соответственно.
По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.
Датчик вибраций
На основе ДХ можно сконструировать простой регистр вибрации, который будет реагировать на изменение магнитного поля в результате микроперемещений магнита, создающего поле для проводника с током.
Детектор ферромагнетиков
Ферромагнетики – магнитоактивные вещества. Они искажают магнитное поле планеты. По величине этого искажения можно определить, насколько сильный тот или иной ферромагнетик.
Как измерить это искажение? Это можно сделать с помощью ДХ. Если внести в поле магнита, создающего напряжение в проводнике, магнитный материал (ферромагнетик), то поле изменит индукцию и это повлияет на создаваемую разность потенциалов.
Датчик угла поворота
ДХ способны измерять угол вращения какого-то либо объекта. Например, если на нем установлены магнит и контроллер Холла, то по величине индукции (близости магнита к датчику) можно определить угол вращения.
Потребуется лишь правильно определить зависимость между индукцией и углом. В этом поможет университетский курс физики и механики.
Бесконтактный потенциометр
Напряжение с током связаны по закону Ома через сопротивление. Зная ток через проводник и напряжение, не сложно рассчитать подключенное к проводнику сопротивление. Этот факт позволяет строить на ДХ бесконтактные потенциометры.
ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока
Подобные контроллеры часто применяются в бесколлекторных двигателях в качестве измерителей угла поворота.
Датчик расхода
Датчик расхода на аналоговом ДХ устроен так, что объем пропущенного через этот датчик вещества пропорционален изменению магнитной индукции поля вокруг него.
Датчик положения
Чтобы собрать датчик положения на ДХ, нужно к отслеживаемой цели подключить магнитную пластину. Когда эта пластина будет менять положение относительно магнита в ДХ, поле будет менять свой состав и по изменению индукции этого поля можно будет определить положение объекта.
Цифровые
Такие контроллеры применяются в электронике и промышленности для управления включением и выключением, например, станков с численным программным управлением, а также для регулирования работы автоматизированных систем.
Датчики
На цифровых ДХ собирают различные контроллеры, способные отслеживать изменение различных величин и реагировать на изменения.
Контроллер частоты вращения
Контроллеры Холла, измеряющие частоту вращения чего-либо, называются энкодерами. Обычно их несколько устанавливается на определенную позицию, через которую проходит несколько магнитов с вращающегося объекта.
Как только магнит пересекает первый датчик, последний выдает на выходе уровень логической единицы. С другими контроллерами аналогично. Момент появления логической единицы на одном из датчиков позволяет оценить частоту вращения объекта.
Контроллер системы зажигания авто
Система зажигания устроена таким образом, что имеет два устойчивых состояния: включено-выключено. Такие же устойчивые логические уровни имеют цифровые ДХ. Соединить эти приборы в одно устройство не составляет труда: к системе зажигания присоединяется магнитная пластина.
Когда система находится в положении «включено», пластина пересекает магнитное поле ДХ и разность потенциалов в проводнике контроллера изменяется. Этим изменением можно управлять различными системами авто.
Контроллер положения клапанов
Если к клапану подсоединить магнитную пластину, а ее расположить рядом с контроллером Холла, то при открытии (или, наоборот, закрытии) клапана индукция поля и, как следствие, напряжение в проводнике изменится, а это изменение переведет контроллер в одно из логических состояний (ноль, единица).
Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.
Контроллер бумаг в принтере
Наличие бумаги в принтере можно фиксировать точно так же, как и положение клапанов. Есть флажок, который устанавливается и пересекает поле постоянного магнита ДХ, если в принтер поступает бумага.
Устройства синхронизации
Датчики синхронизации активно применяются в автомобилестроении, где они регулируют время и объем подачи топлива, углы опережения зажигания и поворота распределительного вала, а также других показателей.
Такие датчики представляют собой намагниченный сердечник с медной обмоткой, на концах которой фиксируют разность потенциалов.
Счетчик импульсов
С помощью эффекта Холла можно считать поступающие в проводник импульсы. Импульс – сигнал высокого уровня. Соответственно, есть сигнал низкого уровня (обычно это 0). Если импульс поступает на проводник, то на его концах создается разность потенциалов под действием магнитного поля. Когда импульс пропадает, разность потенциалов тоже исчезает. По скорости появления-пропадания напряжения в проводнике можно судить о количестве импульсов: зная время и скорость можно определить количество.
Блокировка дверей
Магнит контроллера располагается на двери машины, например, а сам контроллер – на дверной коробке. Как только замок, не снятый с сигнализации, попытается кто-то открыть и потянет на себя ручку двери, подключенная система заблокирует двери и предотвратит доступ в машину. Так и работает блокировка дверей с применением ДХ.
Вместо системы блокировки дверей к датчику можно подключить сирену или другую сигнализацию.
Измеритель расхода
Расходометр на ДХ устроен таким образом, что каждое изменение магнитного потока, фиксируемое контроллером, равняется определенной порции прошедшего вещества (жидкости, например).
Бесконтактное реле
Бесконтактные реле на ДХ так устроены, что при изменении магнитной индукции поля вокруг проводника на нем меняется напряжение и это изменение разности потенциалов провоцирует переключение реле.
Детектор приближения
Контроллер приближения на цифровом ДХ аналогичен контроллеру на линейном ДХ с той лишь разницей, что цифровой выдает только два уровня сигнала – высокий и низкий – а аналоговый –бесконечное множество, то есть, например, цифровым контроллером можно только включить и выключить свет, а аналоговым включить на определенную величину, сделать свет ярче или тусклее, а потом выключить.
Какие функции выполняет в смартфоне
Когда человек подносит смартфон близко к уху, экран телефона гаснет для предотвращения случайных нажатий. Как это удалось реализовать разработчикам? При помощи цифрового датчика приближения, основанного на эффекте Холла.
Как изготовить своими руками
Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:
- Ферритовое кольцо.
- Проводник для тока.
- Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
- Дифференциальный усилитель.
В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.
Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.
Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.
Преимущества и недостатки
К преимуществам ДХ можно отнести:
- Многофункциональность. Контроллеры Холла, как описано выше, могут играть роль десятков видов датчиков.
- Надежность. Не подвержены износу т.к. не имеют движущихся частей. На их работе не влияет ни влага, ни пыль (вибрация в меньшей степени).
- Простота. Практически не требует обслуживания.
Среди недостатков ДХ выделяют:
- Низкий радиус действия. Обычно ДХ не работает на расстоянии больше 10 см. В противном случае придется использовать очень сильный магнит.
- Сложно обеспечить стабильность измерений. Из-за постоянно меняющегося магнитного поля точность измерений ДХ всегда будет немного колебаться.
Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.
Чем выше температура, тем быстрее движутся заряды в проводнике, тем чувствительнее датчик ко всем колебаниям магнитного поля.
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. Используется полупроводниковый монолитный кристалл, который в случае повреждения не подлежит ремонту
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. Такая несложная проверка покажет, кроется проблема в датчике, или дело совсем не в нем.
- 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.
Датчик Холла – энциклопедия VashTehnik.ru
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:
- Величины протекающего постоянного тока.
- Напряжённости магнитного поля.
- 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:
- Долгий срок службы (для клавиатуры – 30 млрд. нажатий).
- Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что явно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.
- Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.
- Простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.
- Широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Датчик Холла — принцип работы
В системах и устройствах каждого автомобиля есть масса приборов, которые несут только функцию информирования о том или ином процессе. На основе информации, которые эти устройства предоставляют, высшие по иерархии системы принимают решения о том или действии. Эти шпионы называются датчиками и собирают информацию о работе деталей и узлов, а после передают ее водителю. На современных автомобилях водитель избавлен от принятия большинства решений, поэтому всю работу делают за него электронные системы. Бесконтактная система зажигания и датчик Хoлла — яркий тому пример.
Содержание:
- Датчик Холла, что это такое
- Применение датчика в автомобиле
- Преимущества автомобильного датчика Холла
- Зажигание с датчиком Холла
- Подключение и проверка датчика Холла
Датчик Холла, что это такое
Все автомобильные датчики классифицируются по параметру, который они определяют. Это может быть датчик температуры, датчик массового расхода воздуха, датчик движения или датчик положения. Датчик на эффекте Холла как раз применяется для того, чтобы определять положение коленчатого или распределительного вала.
Вкратце разберемся с этим эффектом, тогда станет понятнее, что представляет собой это устройство. Гальваномагнитное явление было открыто в 1879 году Эдвином Холлом, а суть этого открытия в том, что при установке проводника с постоянным потенциалом в магнитное поле, появляется разность потенциалов, то есть электрический импульс. На основе этого являения работает не только часть системы зажигания автомобиля, но и ионные ракетные двигатели, приборы, которые измеряют напряженность магнитного поля, и даже во многих мобильных устройствах в виде основы для работы электронного компаса.
Применение датчика в автомобиле
Холловское напряжение давно применяется в машиностроении и конструкции серводвигателей. Он идеально подходит для того, чтобы определять углы положения валов, а на машинах архаичной конструкции, датчик применялся для определения момента возникновения искры. Схема датчика проста и мы ее помещаем ниже.
Суть работы устройства в том, что когда подают ток на две клеммы участка полупроводникового материала (на чертеже — клеммы «а») и помещают его в магнитное поле, на двух других клеммах возникает импульсное напряжение, а оно может восприниматься устройством-приемником, как сигнал к определенным действиям.
Автомобильный датчик Холла принцип работы которого показан на схеме ниже, но буквально ее воспринимать было бы ошибкой. Дело в том, что современные датчики Холла представляют собой все элементы начерченного датчика в одном крошечном корпусе. Это стало возможным тогда, когда появились миниатюрные полупроводниковые приборы.
Преимущества автомобильного датчика Холла
Микроэлектроника позволила добиться от устройства очень маленьких размеров, при этом, сохранив полную функциональность. Основные преимущества устройства современного датчика Холла в следующем:
- компактность;
- возможность разместить в любой точке двигателя или любого другого механизма;
- стабильность работы, то есть при любых оборотах вала, датчик будет корректно реагировать на его вращение;
- стабильность не только в работе, но и стабильность характеристики сигнала.
Наряду с бесспорными достоинствами и функциональностью устройства, оно имеет некоторые проблемы:
- Помехи — главный враг любого электромагнитного устройства. А помех в электрической цепи автомобиля более, чем достаточно.
- Цена. Датчик, основанный на эффекте Холла дороже обычного магнитоэлектрического датчика.
- Работоспособность датчика Холла сильно зависит от электронной схемы.
- Микросхемы могут иметь нестабильные характеристики, что может повлиять на корректность показаний.
Зажигание с датчиком Холла
Теперь попробуем применить датчик на практике, а, точнее, интегрировать его в систему зажигания. А установим мы его в прямо в трамблер для того, чтобы руководить процессом искрообразования в бесконтактной системе. Схема установки датчика Холла показана на рисунке. Он установлен возле вала прерывателя-распределителя, на котором установлена магнитопроводящая пластина. Пластина-ротор имеет столько вращающихся сердечников, сколько цилиндров у двигателя.
Поэтому при прохождении пластины ротора возле датчика с поданным на него напряжением, возникает эффект Холла, с выводов датчика снимается импульс и подается на коммутатор, а оттуда на катушку зажигания. Она преобразует слабый импульс в высоковольтный и передает его по высоковольтному проводу на свечу зажигания.
Подключение и проверка датчика Холла
Подключить любой датчик Холла довольно просто, поскольку он имеет всего три вывода, один из которых минусовой и идет на массу, второй — питание, третий — сигнальный, с него и поступает импульс на коммутатор. Проверить, работает ли датчик довольно просто. Если автомобиль подает признаки неисправности системы зажигания, которые выражаются в плохом пуске или нестабильности работы, первое, что нужно проверить — именно этот датчик.
Для этого не нужно никаких сложных осциллографов, хотя по науке ДХ проверяют именно при помощи осциллографа. Для проверки работоспособности устройства, достаточно просто закоротить 3-й и 6-й вывод на колодке трамблёра. При включенном зажигании закороченные выводы приведут к образованию искры, что говорит о том, что датчик свое отжил.
Замена датчика — занятие на 10 минут, но чтобы не покупать новый, лучше проверить установленный, вполне возможно, что зажигание работает некорректно по другой причине. Таким образом, можно обнаружить поломку, сэкономить время и не покупать лишние детали. Следите за простейшими приборами, и неприятные сюрпризы будут обходить автомобиль стороной. Плотной всем искры и удачи в дороге!
Читайте также:
Устройство, принцип работы датчика Холла, его применение в автомобиле
Сегодня роль электроники в автомобилестроении трудно переоценить. Автоматика оперативно контролирует и управляет всеми агрегатами современного автомобиля, обеспечивая их максимальную эффективность при высокой надёжности.
Но это возможно только при наличии достаточного количества датчиков, сообщающих электронному блоку управления множество различных параметров для выработки управляющих сигналов.
Одно из таких устройств в современном двигателе – датчик Холла. Принцип его функционирования основан на эффекте отклонения электронов в проводнике под воздействием силы Лоренса, возникающей при взаимодействии магнитного поля с движущимися заряженными частицами.
Если через две стороны плоского прямоугольного проводника помещённого плоскостью перпендикулярно силовым магнитным линиям пропускать электрический ток, то в результате их взаимодействия с электронами на двух других сторонах прямоугольника появляется электрический потенциал.
Причём сторона, куда отклоняются электроны, зависит от направления силовых магнитных линий. В результате этого эффекта создаётся плюсовой и минусовой полюс выходного потенциала.
Величина его небольшая – до 100 милливольт, и зависит от силы протекающего тока и напряжённости поля. Но этого вполне достаточно для того, чтоб электронная схема смогла его зарегистрировать.
Добавление к чувствительному элементу полупроводниковой схемы позволило создать компактный прибор, свободный от недостатков контактного прерывателя, создающего так называемый «дребезг» во время замыкания или размыкания. Благодаря сравнительно низкой цене при небольших размерах датчики Холла применяются весьма широко.
Например, для бесконтактного измерения тока, индикации или измерения уровня магнитного поля, а также в ноутбуках либо телефонах-раскладушках для отключения питания при закрывании крышки.
В автомобилестроении датчики Холла используются преимущественно для определения положения коленчатого вала, при котором следует подавать высоковольтный импульс создающий разряд на свече зажигания.
РАЗНОВИДНОСТИ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА
По типу исполнения датчики бывают:
- аналоговыми;
- дискретными.
Первый тип просто генерирует двухполярный потенциал, пропорциональный напряженности и направлению магнитного поля, либо однополярный, показывая лишь его абсолютное значение. Подобные аналоговые приборы используют как измерительные.
Дискретные (цифровые) датчики разделяются на однополярные, включающиеся или выключающиеся при наличии либо отсутствии магнитного поля, и биполярные, реагирующие включением на один полюс, и выключением на другой полюс магнита.
Как правило, автомобильный датчик Холла состоит из постоянного магнита, находящегося на определённом расстоянии от чувствительного элемента, и микросхемы, усиливающей сигнал с него. Ротор из ферромагнетика (сталь, железо), своими лопастями периодически перекрывают магнитное поле между магнитом и чувствительным элементом.
Если поле не перекрыто ротором, микросхема генерирует сигнал единицы, близкий по напряжению к питающему уровню бортовой сети. Когда лопасть ротора перекрывает магнитное поле, сигнал на выходе микросхемы близок к нулю.
В системах зажигания, используются цифровые датчики с высокой стабильностью включения, непосредственно коммутирующие напряжение питания. По сравнению с обыкновенными контактными прерывателями датчики Холла характеризуются повышенной чувствительностью к электромагнитным помехам, что устраняется помещением их в магнитный экран из магнитомягкого материала (пермаллоя).
Электронная схема также несколько снижает его надёжность. Но всё это окупается высочайшей стабильностью срабатывания, а значит момента зажигания и возможностью качественной его регулировки.
КАК БЫСТРО ПРОВЕРИТЬ ДАТЧИК ХОЛЛА
Иногда в процессе эксплуатации возникают неисправности, требующие проверки работоспособности датчика Холла. Вот типовые признаки подобных дефектов:
- мотор плохо запускается, вообще не заводится или самопроизвольно глохнет;
- обороты коленчатого вала нестабильны, заметны рывки при работе.
Способов проверки существует несколько:
1. Простейший – заменить на заведомо исправный прибор. Не слишком эон дорог, чтобы было накладно всегда при себе иметь запасной.
2. Мультиметром в режиме вольтметра. Датчик при этом должен быть стандартно подключен к массе (клемма «-» аккумулятора) и клемме «+» аккумулятора. Для проверки подключают щупы вольтметра к общему проводу и сигнальному контакту датчика.
Перекрывая зазор датчика куском железной или стальной пластины, например, лезвием ножа наблюдаем за показаниями вольтметра. При отсутствии пластины напряжение должно быть равно примерно 0,4 В, при наличии – 11 В.
Более сложные способы проверки для любителей не подходят , посему они здесь не приводятся, а для специалистов подобные описания излишни.
* * *
© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.
Интегрированный датчик Холла КМОП с низким энергопотреблением
В данной статье представлен интегрированный датчик Холла на основе КМОП-технологии SMIC 0,18 µ м. Система включает входной элемент Холла и внутреннюю схему обработки сигналов. Оптимизируя структуру элемента Холла и используя технологию ортогональной связи и спинового тока, можно эффективно подавить напряжение смещения. Результаты моделирования показали, что переключатель Холла может устранить напряжение смещения более 1 мВ при 3.Напряжение питания 3 В. Два режима схемы переключателя Холла, активный режим и спящий режим, были реализованы с использованием сигналов тактовой логики без ущерба для производительности переключателя Холла, тем самым снижая потребление энергии. Результаты испытаний показали, что точка срабатывания и точка срабатывания переключателя находились в диапазоне 3–7 мТл при напряжении питания 3,3 В. Между тем, потребление тока составляет 7,89 µ A.
1. Введение
В последние десятилетия датчики Холла стали совместимы с современной технологией производства полупроводниковых интегральных схем.Интегрированные датчики переключателя Холла, изготовленные с использованием технологии CMOS, отличаются стабильной производительностью, малым размером, длительным сроком службы и низкой ценой, что привело к их применению во многих областях. Однако элементы Холла, изготовленные с использованием технологии CMOS, имеют низкую чувствительность и слабые сигналы напряжения Холла. Обычно при слабом магнитном поле 1 мТл и напряжении смещения 1 В элементы Холла создают только напряжение Холла приблизительно в несколько десятков микровольт [1, 2]. Поэтому необходимо использовать усиленную схему для усиления сигнала напряжения Холла для обработки.Неидеальные факторы, такие как несоответствие технологии производства, изменения рабочей температуры и напряжение, вызванное упаковкой микросхемы, могут привести к тому, что элемент Холла и схема обработки будут создавать напряжение смещения, намного превышающее напряжение Холла, которое аннигилирует эффективный сигнал напряжения Холла, поэтому следует принять меры. принято для подавления этого напряжения смещения [3]. Между тем внутреннее сопротивление элемента Холла в рабочих условиях составляет всего около 1 кОм, а потребляемый ток достигает миллиамперного уровня.Чтобы разработать микросхему датчика с низким энергопотреблением, необходимо принять меры по снижению энергопотребления микросхемы.
В этом исследовании мы улучшили чувствительность и уменьшили смещение элемента Холла, оптимизировав его структуру. Кроме того, для эффективного снижения напряжения смещения использовалась технология ортогональной связи с двумя элементами Холла и вращающегося тока. Смещение схемы было подавлено с использованием технологии автоматического обнуления. Технология микромощности с тактовым управлением использовалась для снижения энергопотребления низкоскоростной микросхемы переключателя Холла без ущерба для ее производительности.В разделе 1 представлена история применения датчика Холла. В Разделе 2 мы представляем КМОП-часть этой статьи, а также знакомимся с основами применения датчика Холла. Во втором разделе представлено напряжение смещения элемента Холла КМОП и описывается технология, используемая для подавления напряжения смещения элемента Холла. Рабочее состояние датчика анализируется в разделе 3. В разделе 4 мы обсуждаем анализ результатов тестирования микросхемы. Раздел 5 содержит наши выводы.
2. Конструкция элемента Холла и устройства подавления смещения Холла
2.1. КМОП элемент Холла
Вид в разрезе и вид сверху элемента Холла показаны на рисунке 1. На основе плоского крестообразного элемента Холла [4] был разработан квадратный элемент Холла со структурой осевой симметрии 90 °. Фосфор вводили в подложку P-типа для создания N-лунки, которая действовала как активная область элемента Холла. Четыре угла квадратной N-лунки были сильно легированы с образованием N +, который был соединен с металлической проволокой в качестве контактного электрода элемента Холла; На поверхности элемента Холла бор использовался для образования слоя P +, чтобы уменьшить эффективную толщину элемента Холла и повысить его чувствительность, а слой P + был соединен с потенциалом земли.Наконец, поверхность элемента Холла была покрыта слоем металла, который был подключен к потенциалу земли, и элемент был окружен металлическим кругом, чтобы уменьшить помехи на элементе Холла, вызванные шумом от других модулей в датчике. .
2.2. Метод подавления напряжения смещения элемента Холла
В отсутствие магнитного поля из-за дефектов технологии производства, механических напряжений и температуры окружающей среды, когда на управляющем конце элемента Холла имеется источник возбуждения, на его выходе имеется ненулевая разность потенциалов (т.е., напряжение смещения элемента Холла) [5–7]. Его модель моста Уитстона показана на рисунке 2. Когда ток смещения равен и, выходное напряжение элемента Холла будет следующим:
Если сопротивление, выходное напряжение элемента Холла равно нулю в отсутствие магнитного поля. поле. Однако из-за несоответствия между резисторами на выходе генерируется напряжение смещения, которое обычно находится на уровне милливольт. Предполагая, что k, рассогласование 1% и k, напряжение смещения на выходе будет равно 8.2 мВ при напряжении смещения 3,3 В. Когда чувствительность по напряжению Холла достигает 40 мВ / В · Тл, напряжение смещения 8,2 мВ приводит к погрешности в 62 мТл для магнитного поля, что намного больше, чем магнитный сигнал. Это может повлиять на работу датчика Холла и привести к неисправности. Необходимо принять меры по подавлению напряжения смещения элемента Холла, чтобы улучшить характеристики датчика Холла [8].
2.3. Ортогональная связь
Технология ортогональной связи применяется к датчикам Холла в качестве компенсации статического электричества.Как показано на рисунке 3, два элемента Холла соединены параллельно, и два элемента Холла имеют разность в 90 ° в направлении напряжения смещения, поэтому напряжения смещения на выходе двух элементов Холла одинаковы, но имеют противоположную полярность. . В этом случае добавлением напряжения смещения к выходному напряжению ортогонально связанных элементов Холла смещение подавляется:
Однако нет гарантии, что остальные три резистора в модели моста Уитстона точно такие же, что значительно снижает эффект компенсации ортогональной связи.Чтобы улучшить эффект, для ортогональной связи обычно используется большое количество элементов Холла, например четыре элемента Холла, но это увеличивает площадь кристалла и стоимость.
2.4. Технология спиннингового тока
Технология ортогонального соединения может более эффективно подавлять статическое смещение по сравнению с технологией вращающегося тока. Однако подавление смещения элемента Холла с помощью технологии ортогональной связи должно быть установлено при условии, что элемент Холла имеет ортогонально симметричную структуру, и этот метод неспособен подавить смещение, вызванное эффектами более высокого порядка.Поэтому в датчиках Холла была применена технология вращающегося тока для устранения динамического смещения [9]. Как показано на рисунке 4, это изменяет полярность напряжения Холла и напряжения смещения, изменяя положения управляющего конца и выходного конца элемента Холла. Через периодический цикл напряжение смещения модулируется до частоты вращения, в то время как напряжение Холла остается на исходной частоте, а затем выходное напряжение элемента Холла является суммой постоянного напряжения Холла и переменного напряжения смещения.Напряжение смещения может быть подавлено последующей схемой.
Когда ток смещения течет слева направо, выходное напряжение элемента Холла будет следующим:
Когда ток смещения вращается на 90 ° и течет сверху вниз, выходное напряжение будет следующим:
Напряжение смещения можно подавить, добавив выходное напряжение в этих двух фазах.
В сочетании с технологией ортогональной связи и технологией спинового тока мы можем эффективно подавить смещение элемента Холла и получить меньшее остаточное смещение [10].Была спроектирована структура схемы с двойной связью элементов Холла и четырехфазным вращающимся током. Как показано на рисунке 5, CLK0 и CLK1 представляют собой пару неперекрывающихся дополнительных тактовых импульсов с частотой 50 кГц. Фазы CLK0b и CLK1b противоположны фазам CLK0 и CLK1 соответственно. Тактовые сигналы CLK0, CLK0b, CLK1 и CLK1b управляют MOS-переключателями M1 – M4. Когда синхросигнал CLK0 или CLK1 низкий, эти два элемента Холла формируют ортогональную связь для устранения статического смещения.
Когда CLK0 низкий, M1 и M4 включены.h2 и h4 — контрольные концы, а h3 и h5 — концы вывода. Выходное напряжение следующее:
Когда CLK1 низкий, M2 и M3 включены. h3 и h5 — контрольные концы, а h2 и h4 — концы вывода. Выходное напряжение следующее:
Напряжение Холла, создаваемое магнитным полем, было установлено равным 100 µ В. Согласно рисунку 6 максимальное напряжение смещения элемента Холла больше 7 мВ. Выходное напряжение может быть получено путем использования технологии ортогональной связи и вращающегося тока и сложения выходного напряжения в этих двух фазах друг с другом, чтобы получить сумму 200 µ В, обозначенную здесь как 2 ·.
Результаты показывают, что схема в сочетании с ортогональной связью и технологией спинового тока может эффективно подавлять статическое и динамическое смещение элемента Холла.
3. Конструкция схемы обработки сигнала Холла
Структура схемы датчика Холла показана на рисунке 7. Датчик был разделен на две части: входной элемент Холла и внутреннюю схему обработки сигнала напряжения Холла. . Схема обработки сигналов состояла из схемы смещения, схемы вращающегося тока, схемы с тактовым логическим управлением, генератора, усилителя, схемы выборки и хранения, компаратора и схемы выходного каскада.Сигнал магнитного поля преобразовывался в сигнал напряжения элементом Холла; сигнал напряжения затем сравнивался и выводился после усиления и дискретизации [11, 12].
3.1. Модуль усиления сигнала
Как показано на рисунке 8, модуль схемы усиления состоит из схемы усиления входного каскада IA1 и схемы усиления второго каскада IA2. Поскольку элементы Холла создают только напряжение Холла примерно в несколько десятков микровольт, напряжение смещения и шум могут аннигилировать эффективный сигнал напряжения Холла.Самый важный вопрос, который следует учитывать, — это шум и смещение IA1. IA1 использовался в качестве нагрузки в виде диодного соединения и работал в режиме усиления без обратной связи с коэффициентом усиления без обратной связи 18 дБ и шириной полосы 3 дБ 5,89 МГц. IA1 имеет хорошее отношение сигнал / шум, низкое входное напряжение смещения и хорошую линейность усиления. Диапазон изменения коэффициента усиления при различных напряжениях питания, температуре и параметрах процесса не превышал 8%. IA2 был реализован с использованием полностью дифференциального инструментального усилителя и отличался сильной помехоустойчивостью и стабильным выходным усилением.Схема IA2 состояла из двух основных КМОП операционных усилителей, которые образовывали двусторонний входной и двусторонний выходной усилитель. Регулируя сопротивление и, при необходимости, был получен стабильный коэффициент усиления. Коэффициент усиления в этой статье составил 26,5 дБ, а ширина полосы по 3 дБ — 128 кГц. Коэффициент усиления IA1 был установлен как, а коэффициент усиления IA2 был установлен как. Согласно рисунку 8, суммарный коэффициент усиления модуля усиления составляет:
3,2. Модуль управления Awake
Технология микропитания с тактовым управлением была использована для разработки маломощного датчика Холла [13].Схема тактовой логики внутри датчика позволяла производить выборку во внешнем магнитном поле каждые 45–60 мс. В цикле было два режима работы: режим ожидания и режим сна. В режиме ожидания измерялось напряжение Холла, генерируемое индуцированным магнитным полем, и он работал с тактовым импульсом 1/1000 рабочего цикла. Все остальное время он находился в спящем режиме. В спящем режиме энергопотребление микросхемы было практически незначительным, как показано на рисунке 9. Среднее потребление тока снизилось с 4–6 мА до 7.89 μ А при напряжении питания 3,3 В без влияния на нормальную работу датчика Холла.
3.3. Модуль выборки-удержания-сравнения сигналов
Разработанный датчик переключателя Холла представляет собой переключатель магнитного поля полной полярности. Другими словами, он должен нормально работать как в магнитном поле N-полюса, так и в магнитном поле S-полюса. Как показано на рисунке 10, в определенном магнитном поле (или) выходной сигнал компаратора всегда остается низким, чтобы поддерживать последующую переключающую трубку NMOS в отключенном состоянии, чтобы не повлиять на общий выходной сигнал.Другой компаратор отображает результаты сравнения напряжения Холла и опорного напряжения. Когда напряжение Холла больше опорного напряжения, выход компаратора высокий. Лампа переключателя NMOS включается, и потенциал всего выхода заземляется. Когда напряжение Холла ниже опорного напряжения, выходной сигнал компаратора низкий. Трубка переключателя NMOS отключена, и потенциал общего выхода составляет В DD [14, 15].
Предполагается, что магнитное поле используется для анализа рабочего состояния схемы выборки-удержания-сравнения.На этапе Φ1 выходное напряжение элемента Холла было установлено равным, а входное напряжение INP и INN было В +1 и В -1 соответственно. Синфазное напряжение усилителя было В С . В этот момент компаратор находился в состоянии автоматической установки нуля. Усиленное напряжение измерялось конденсатором, а опорное напряжение — конденсатором. На этапе Φ2 выходное напряжение было установлено равным, а входное напряжение INP и INN было В, −2 и В, +2 , соответственно.Усиленное напряжение измерялось конденсатором, а опорное напряжение — конденсатором. Полярность дискретизированного напряжения на этапе Φ2 была противоположной полярности на этапе Φ1. Компаратор нормально работал на ступени Φ2. В конце этапа Φ2 и имеют следующий вид: и, поэтому вход компаратора в конце этапа Φ2 имеет следующий вид:
Когда на выходе компаратора высокий уровень, а когда на выходе низкий.
3.4. Рабочий процесс всей схемы
Как показано на рисунке 11, изменения в магнитном поле приводили к колебаниям напряжения Холла, и усиленное напряжение Холла сравнивалось с установленным опорным напряжением, а затем выдавалось сигнал переключения.Точка срабатывания и точка срабатывания могут быть изменены путем изменения напряжения. Общий выходной сигнал сенсорной микросхемы определялся выходным сигналом схемы сравнения и схемы счетчика. Если схема компаратора генерирует два последовательных выхода высокого уровня, выход переключателя Холла будет низким; если схема выдает два последовательных выхода с низким уровнем, выходной сигнал переключателя будет высоким.
Общий временной ряд схемы показан на рисунке 12. Микросхема была установлена в режим ожидания и спящий режим, чтобы снизить энергопотребление без ущерба для способности микросхемы тестировать магнитные поля.Между тем, рабочее состояние микросхемы и частота колебаний генератора контролировались сигналом EN. Когда EN был высоким, магнитное поле обнаруживалось микросхемой с частотой тактовых колебаний 100 кГц. Когда EN был низким, микросхема перешла в спящий режим, и схема перестала определять магнитные поля. Частота тактовых колебаний стала 8 кГц. Активный режим состоял из фазы сброса Φ0 и двух последовательных фаз измерения Φ1 и Φ2. Цепь Ф0 была перезагружена. Затем цепь элемента Холла была отключена, и схема обработки сигнала не обнаружила никаких выходных сигналов.В фазах Φ1 и Φ2 дополнительные неперекрывающиеся тактовые генераторы CLK0 и CLK1, которые служили в качестве сигналов переключения, управляли элементом Холла для реализации вращающегося тока.
4. Тестирование и анализ микросхем
SMIC 0,18 µ м КМОП-технология была использована для проектирования. Изображение микросхемы и схема упаковки показаны на рисунке 13. Расчетная площадь микросхемы составляла 720 мкм м × 550 мкм мкм. Использовался двухрядный керамический корпус с 28 выводами (CDIP28L).
4.1. Проверка точки эксплуатации и точки выпуска
На рисунке 14 показана физическая схема системы тестирования. Использование высокоточного источника тока на одномерной катушке Гельмгольца генерировало высокоточное магнитное поле, чтобы проверить точку срабатывания и точку срабатывания датчика переключателя Холла. Катушка была настроена на создание магнитного поля треугольной формы с изменением полного цикла. Пик составлял ± 10 мТл. В таблице 1 приведены результаты испытаний для 10 образцов микросхем.Согласно данным испытаний, точка срабатывания магнитного поля разработанного встроенного датчика Холла составляла примерно ± 6,16 мТл. Точка высвобождения составляла приблизительно ± 3,84 мТл, а интервал гистерезиса составлял приблизительно 2,32 мТл.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.2. Тест энергопотребления
В разработанной микросхеме датчика переключателя Холла использовался цифровой логический модуль для включения двух режимов, а именно, режима ожидания и режима сна, что снизило потребление энергии. Переключатель AWAKE использовался для ручного управления рабочим состоянием чипа с целью проверки его энергопотребления. На рис. 15 показано энергопотребление при комнатной температуре и разном напряжении питания.
4.3. Результаты тестирования
Результаты тестирования в таблице 2 показывают, что за счет перехода в спящий режим для микросхемы с использованием технологии цифровых логических часов потребляемая мощность датчика переключателя Холла была успешно снижена с уровня милливатта до уровня микроватта; точка срабатывания и точка срабатывания переключателя находились в диапазоне 3–7 мТл, что применимо к переключателям и обнаружению расстояния, которые обычно требуют напряженности магнитного поля 3–50 мТл.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||