Датчик Холла (также известный как датчик Холла или зонд Холла ) — это любой датчик , включающий в себя один или несколько элементов Холла, каждый из которых создает напряжение, пропорциональное одной аксиальной составляющей вектора магнитного поля B, используя эффект Холла (названный в честь физика Эдвина Холла ).
Датчики Холла используются для обнаружения приближения , позиционирования , определения скорости и измерения тока [1] и широко распространены в промышленных и потребительских приложениях . Сотни миллионов интегральных схем датчиков Холла (ИС) продаются каждый год [2] примерно 50 производителями, а глобальный рынок составляет около миллиарда долларов . [3]
В датчике Холла фиксированный постоянный ток смещения [4] подается вдоль одной оси через тонкую полоску металла, называемую преобразователем элемента Холла . Чувствительные электроды на противоположных сторонах элемента Холла вдоль другой оси измеряют разность электрического потенциала ( напряжение ) поперек оси электродов. Носители заряда тока отклоняются силой Лоренца в присутствии магнитного поля, перпендикулярного их потоку. Чувствительные электроды измеряют разность потенциалов (напряжение Холла), пропорциональную осевой составляющей магнитного поля, которая перпендикулярна как оси тока, так и оси чувствительных электродов. [5]
Датчики Холла реагируют как на статические магнитные поля, так и на изменяющиеся. ( Индуктивные датчики , напротив, реагируют только на изменения полей.)
Устройства на эффекте Холла создают очень низкий уровень сигнала и, таким образом, требуют усиления. Технология усилителей на вакуумных лампах , доступная в первой половине 20-го века, была слишком большой, дорогой и энергоемкой для повседневных применений датчиков Холла, которые ограничивались лабораторными приборами. Даже транзисторная технология раннего поколения была неподходящей; только с развитием недорогой микротехнологии интегральных схем (ИС) на основе кремниевых чипов датчик Холла стал пригоден для массового применения. Устройства, продаваемые в настоящее время как датчики Холла, содержат как датчик, как описано выше, так и усилитель ИС с высоким коэффициентом усиления в одном корпусе. Эти ИС датчиков Холла могут добавлять стабильный регулятор напряжения в дополнение к усилителю, чтобы обеспечить работу в широком диапазоне напряжения питания и повышать напряжение Холла для удобного аналогового выходного сигнала, пропорционального компоненту магнитного поля. [4] В некоторых случаях линейная схема может отменить напряжение смещения датчиков Холла. Более того, модуляция переменного тока управляющего тока может также уменьшить влияние этого напряжения смещения.
Датчики Холла называются линейными, если их выход пропорционален напряженности падающего магнитного поля. Этот выходной сигнал может быть аналоговым напряжением, сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или передаваться в цифровом виде по современному протоколу шины . [6] Датчики Холла также могут быть ратиометрическими , если их чувствительность также пропорциональна их напряжению питания. При отсутствии приложенного магнитного поля их выходное напряжение покоя обычно составляет половину напряжения питания. [7] Они могут иметь выход rail-to-rail (например, A1302). [8]
Хотя элемент Холла является аналоговым устройством , микросхемы переключателей Холла часто дополнительно включают в себя схему порогового обнаружения для формирования электронного переключателя , который имеет два состояния (включено и выключено), которые выводят двоичный цифровой сигнал .
Их выходы могут быть транзисторами NPN с открытым коллектором (или MOSFET n-типа с открытым стоком ) для совместимости с микросхемами, использующими другие напряжения питания. [4] Вместо того, чтобы напряжение создавалось на выходном проводе сигнала датчика Холла, выходной транзистор включается, обеспечивая цепь для заземления через выходной провод сигнала.
Фильтрация триггера Шмитта может быть применена (или интегрирована в ИС) для обеспечения чистого цифрового выхода, устойчивого к шуму датчика. Пороги гистерезиса для переключения (указанные как B OP и B RP ) классифицируют цифровые ИС Холла как униполярные переключатели, [9] омниполярные переключатели, [10] или биполярные переключатели, [11] которые иногда могут называться защелками. [12] Униполярный (например, A3144) [13] относится к наличию порогов переключения только в одной полярности магнитного поля. Омниполярные переключатели имеют два набора порогов переключения, как для положительной, так и для отрицательной полярности, и поэтому работают попеременно с сильным положительным или сильным отрицательным магнитным полем.
Биполярные переключатели имеют положительный B OP и отрицательный B RP (и, таким образом, требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для работы). Разница между B OP и B RP , как правило, больше для биполярных переключателей, описываемых как защелки, которые остаются в одном состоянии гораздо дольше (т. е. они защелкиваются на своем последнем значении) и требуют большей напряженности поля для изменения состояний, чем требуется биполярным переключателям. Различие в наименованиях между «биполярным» и «защелкой» может быть немного произвольным, например, в техническом описании Honeywell SS41F он описан как «биполярный», в то время как другой производитель описывает свой SS41F [14] с сопоставимыми характеристиками как «защелку».
Элементы Холла измеряют только компонент оси чувствительности вектора магнитного поля. Поскольку этот осевой компонент может быть положительным или отрицательным, некоторые датчики Холла могут определять бинарное направление осевого компонента в дополнение к его величине. Для определения двумерного направления необходимо включить дополнительный перпендикулярно ориентированный элемент Холла (например, в § Двойные ИС датчика Холла), а для обнаружения полных трехмерных компонентов вектора магнитного поля необходимо добавить еще один перпендикулярно ориентированный элемент Холла.
Поскольку ИС датчиков Холла являются твердотельными устройствами , они не подвержены механическому износу. Таким образом, они могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем механические датчики, и их срок службы не ограничен механическими отказами (в отличие от потенциометров , электромеханических герконов , [15] реле или других механических переключателей и датчиков). Однако датчики Холла могут быть подвержены тепловому дрейфу из-за изменений условий окружающей среды и временному дрейфу в течение срока службы датчика. [16]
Устройства на эффекте Холла (при соответствующей упаковке) невосприимчивы к пыли, грязи, пыли и воде. Эти характеристики делают устройства на эффекте Холла лучшими для определения положения, чем альтернативные средства, такие как оптические и электромеханические датчики.
Полоса пропускания практических датчиков Холла ограничена сотнями килогерц , а коммерческие кремниевые обычно ограничены 10–100 кГц. По состоянию на 2016 год [обновлять], самый быстрый датчик Холла, доступный на рынке, имеет полосу пропускания 1 МГц, но использует нестандартные полупроводники. [17]
Магнитный поток из окружающей среды (например, от других проводов) может ослабить или усилить поле, которое зонд Холла намеревается обнаружить, делая результаты неточными. Датчики Холла могут легко обнаруживать блуждающие магнитные поля, включая поле Земли, поэтому они хорошо работают как электронные компасы: но это также означает, что такие блуждающие поля могут помешать точным измерениям малых магнитных полей. Чтобы решить эту проблему, датчики Холла часто интегрируются с магнитным экранированием того или иного вида.
Механические положения в электромагнитной системе можно вместо этого измерить без эффекта Холла, используя оптические энкодеры положения (например, абсолютные и инкрементные энкодеры ) и индуцированное напряжение путем перемещения количества металлического сердечника, вставленного в трансформатор . Когда Холл сравнивается с фоточувствительными методами, с Холлом сложнее получить абсолютное положение.
В то время как один элемент Холла восприимчив к внешним магнитным полям, дифференциальная конфигурация двух элементов Холла может исключить поля рассеяния из измерений [18] аналогично тому, как синфазные сигналы напряжения исключаются с помощью дифференциальной сигнализации .
Следующие материалы особенно подходят для датчиков Холла: [19]
Датчики Холла могут использоваться в различных датчиках, таких как датчики скорости вращения (колеса велосипеда, зубчатые колеса, автомобильные спидометры , электронные системы зажигания), датчики расхода жидкости , датчики тока и датчики давления . Датчики Холла обычно используются для измерения скорости колес и валов (например, рисунок 1), например, для зажигания двигателей внутреннего сгорания , тахометров и антиблокировочных тормозных систем .
Распространенные приложения часто встречаются там, где требуется надежная и бесконтактная альтернатива механическому переключателю или потенциометру. К ним относятся: электрические страйкбольные пистолеты, курки электропневматических пейнтбольных пистолетов , регуляторы скорости картинга , смартфоны и некоторые глобальные системы позиционирования.
Одним из наиболее распространенных промышленных применений датчиков Холла, используемых в качестве двоичных переключателей, является определение положения (например, рисунок 2).
Датчики Холла используются для определения того, закрыта ли крышка смартфона (в которой находится небольшой магнит). [20]
Некоторые компьютерные принтеры используют датчики Холла для обнаружения отсутствия бумаги и открытых крышек, а некоторые 3D-принтеры используют их для измерения толщины нити.
Датчики Холла используются в некоторых автомобильных указателях уровня топлива, определяя положение плавающего элемента в топливном баке. [21]
Датчики Холла, прикрепленные к механическим датчикам с намагниченными стрелками индикатора, могут преобразовывать физическое положение или ориентацию стрелки механического индикатора в электрический сигнал, который может использоваться электронными индикаторами, элементами управления или устройствами связи. [22]
Магнитометры на эффекте Холла (также называемые тесла-метрами или гаусс-метрами) используют зонд Холла [23] с элементом Холла для измерения магнитных полей или проверки материалов (таких как трубы или трубопроводы) с использованием принципов утечки магнитного потока . Зонд Холла — это устройство, которое использует калиброванный датчик Холла для непосредственного измерения силы магнитного поля. Поскольку магнитные поля имеют направление и величину, результаты зонда Холла зависят от ориентации, а также положения зонда.
Датчики Холла могут использоваться для бесконтактных измерений постоянного тока в трансформаторах тока . В таком случае датчик Холла устанавливается в зазоре в магнитном сердечнике вокруг проводника тока. [24] В результате можно измерить постоянный магнитный поток и рассчитать постоянный ток в проводнике.
При прохождении электронов через проводник создается магнитное поле. Таким образом, можно создать бесконтактный датчик тока или амперметры . Устройство имеет три клеммы. Напряжение датчика подается на две клеммы, а третья обеспечивает напряжение, пропорциональное измеряемому току. Это имеет несколько преимуществ; в первичную цепь не нужно вставлять дополнительное сопротивление (шунт , необходимый для наиболее распространенного метода измерения тока). Кроме того, напряжение, присутствующее на измеряемой линии, не передается на датчик, что повышает безопасность измерительного оборудования.
Интеграция датчика Холла в ферритовое кольцо (как показано) концентрирует плотность потока магнитного поля тока вдоль ферритового кольца и через датчик (потому что поток течет через феррит гораздо лучше, чем через воздух), [4] , что значительно снижает относительное влияние полей рассеяния в 100 раз или лучше. Эта конфигурация также обеспечивает улучшение отношения сигнал/шум и эффектов дрейфа более чем в 20 раз по сравнению с голым устройством Холла.
Диапазон данного проходного датчика может быть также расширен вверх и вниз с помощью соответствующей проводки. Чтобы расширить диапазон до более низких токов, можно сделать несколько витков токопроводящего провода через отверстие, каждый виток добавляет к выходу датчика ту же величину; когда датчик установлен на печатной плате, витки могут быть выполнены с помощью скобы на плате. Чтобы расширить диапазон до более высоких токов, можно использовать делитель тока. Делитель разделяет ток на два провода разной ширины, и более тонкий провод, несущий меньшую долю общего тока, проходит через датчик.
Вариация кольцевого датчика использует разделенный датчик , который крепится к линии, что позволяет использовать устройство во временном испытательном оборудовании. При использовании в постоянной установке разделенный датчик позволяет тестировать электрический ток без демонтажа существующей цепи.
Выход пропорционален как приложенному магнитному полю, так и приложенному напряжению датчика. Если магнитное поле приложено соленоидом, выход датчика пропорционален произведению тока через соленоид и напряжения датчика. Поскольку большинство приложений, требующих вычислений, в настоящее время выполняются небольшими цифровыми компьютерами , оставшееся полезное приложение находится в измерении мощности, которое объединяет измерение тока с измерением напряжения в одном устройстве на эффекте Холла.
Измеряя ток, подаваемый на нагрузку, и используя приложенное к устройству напряжение в качестве напряжения датчика, можно определить мощность, рассеиваемую устройством, и получить ваттметр .
Устройства на эффекте Холла, используемые в датчиках движения и концевых выключателях движения, могут обеспечить повышенную надежность в экстремальных условиях. Поскольку в датчике или магните нет движущихся частей, типичный срок службы увеличивается по сравнению с традиционными электромеханическими переключателями. Кроме того, датчик и магнит могут быть заключены в соответствующий защитный материал.
Обычно используемый в распределителях для определения времени зажигания (и в некоторых типах датчиков положения коленчатого и распределительного вала для определения времени впрыска импульса, измерения скорости и т. д.), датчик Холла используется в качестве прямой замены механических точек прерывания , используемых в более ранних автомобильных приложениях. Его использование в качестве устройства определения времени зажигания в различных типах распределителей заключается в следующем: неподвижный постоянный магнит и полупроводниковый чип Холла устанавливаются рядом друг с другом, разделенные воздушным зазором, образуя датчик Холла.
Металлический ротор, состоящий из окон или вкладок, установлен на валу и расположен таким образом, что во время вращения вала окна или вкладки проходят через воздушный зазор между постоянным магнитом и полупроводниковым чипом Холла. Это эффективно экранирует и подвергает чип Холла воздействию поля постоянного магнита независимо от того, проходит ли вкладок или окно через датчик Холла. Для целей синхронизации зажигания металлический ротор будет иметь несколько окон или вкладок одинакового размера, соответствующих количеству цилиндров двигателя (вкладка цилиндра № 1 всегда будет уникальной для распознавания блоком управления двигателем).
Это создает равномерный выход, похожий на квадратную волну , поскольку время экранирования и экспозиции равнозначно. Этот сигнал используется компьютером двигателя или ЭБУ для управления моментом зажигания.
Датчик вращения колеса особенно полезен в антиблокировочных тормозных системах . Принципы таких систем были расширены и усовершенствованы, чтобы предложить больше, чем просто функции противоскольжения, теперь обеспечивая расширенные улучшения управления транспортным средством.
Некоторые типы бесщеточных электродвигателей постоянного тока используют датчики Холла для определения положения ротора и передачи этой информации в контроллер двигателя. Это позволяет более точно управлять двигателем. Датчики Холла в 3- или 4-контактных бесщеточных двигателях постоянного тока определяют положение ротора и переключают транзисторы в правильной последовательности. [25]
Двигатель на эффекте Холла ( HET ) — это устройство, которое используется для приведения в движение некоторых космических аппаратов после того, как они попадают на орбиту или дальше в космос. В HET атомы ионизируются и ускоряются электрическим полем . Радиальное магнитное поле, создаваемое магнитами на двигателе, используется для захвата электронов , которые затем вращаются по орбите и создают электрическое поле из-за эффекта Холла. Большой потенциал устанавливается между концом двигателя, куда подается нейтральное топливо, и частью, где производятся электроны; таким образом, электроны, захваченные в магнитном поле, не могут упасть до более низкого потенциала. Таким образом, они чрезвычайно энергичны, что означает, что они могут ионизировать нейтральные атомы. Нейтральное топливо закачивается в камеру и ионизируется захваченными электронами. Положительные ионы и электроны затем выбрасываются из двигателя в виде квазинейтральной плазмы , создавая тягу. Создаваемая тяга чрезвычайно мала, с очень низким массовым расходом и очень высокой эффективной скоростью истечения/удельным импульсом. Это достигается за счет очень высоких требований к электроэнергии — порядка 4 кВт для нескольких сотен миллиньютонов тяги.
ИС датчиков Холла часто интегрируют цифровую электронику. [26] Это позволяет вносить расширенные поправки в характеристики датчика (например, поправки на температурный коэффициент), осуществлять цифровую связь с микропроцессорными системами и может обеспечивать интерфейсы для диагностики входных сигналов, защиты от неисправностей в переходных состояниях и обнаружения короткого замыкания/разрыва цепи.
Некоторые ИС датчиков Холла интегрируют DSP , что позволяет реализовать больше методов обработки непосредственно в корпусе датчика. [1] : 167
Некоторые ИС датчиков Холла включают в себя аналого-цифровой преобразователь и ИС I 2 C (протокол связи между интегральными схемами) для прямого подключения к порту ввода-вывода микроконтроллера. [ 27]
Микроконтроллер ESP32 даже имеет встроенный датчик Холла, который гипотетически мог бы считываться внутренним аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера , хотя он и не работает. [28]
Датчики Холла обычно требуют не менее трех контактов (для питания, заземления и выхода). Однако двухпроводные ИС используют только контакт питания и заземления и вместо этого передают данные с использованием различных уровней тока. Несколько двухпроводных ИС могут работать от одной линии питания, чтобы еще больше сократить количество проводов. [29]
Переключатели на эффекте Холла для компьютерных клавиатур были разработаны в конце 1960-х годов Эвереттом А. Вортманном и Джозефом Т. Мопином в Honeywell . [30] Из-за высоких производственных затрат эти клавиатуры часто резервировались для высоконадежных приложений, таких как аэрокосмическая и военная промышленность. Поскольку затраты на массовое производство снизились, все большее число потребительских моделей стали доступны.
Датчики Холла также можно найти на некоторых высокопроизводительных игровых клавиатурах (производимых такими компаниями, как SteelSeries , Wooting, Corsair ), причем сами переключатели содержат магниты. [31]
Хотя компания Sega была пионером в использовании датчиков Холла в своих контроллерах Sega Saturn 3D [32] и стандартном контроллере Dreamcast [33] с 1990-х годов, датчики Холла начали набирать популярность для использования в потребительских игровых контроллерах только с начала 2020-х годов, особенно в аналоговых джойстиках / джойстиках и триггерных механизмах [34] , для улучшения впечатлений за счет их бесконтактных, высокоточных, малозадерживаемых измерений положения и движения, а также их более длительного срока службы из-за отсутствия механических частей.
Применение датчиков Холла также распространилось на промышленные приложения, которые теперь используют джойстики с эффектом Холла для управления гидравлическими клапанами, заменяя традиционные механические рычаги бесконтактными датчиками. Такие приложения включают карьерные самосвалы, экскаваторы-погрузчики, краны, экскаваторы, ножничные подъемники и т. д.
Некоторые ИС включают два элемента Холла. Это полезно для подсчета серии приращений ( инкрементный энкодер ) для создания линейного или вращающегося энкодера , в котором движущееся или вращающееся расположение магнитов создает переменный магнитный шаблон, воспринимаемый как квадратурно-кодированный шаблон. [4] Затем этот шаблон можно декодировать, чтобы получить как скорость, так и направление движения или просто подсчитать вверх и вниз, чтобы определить положение или угол. (Когда используется только один элемент Холла, направление линейных или вращающихся энкодеров не может быть определено). Два элемента, размещенные на точном расстоянии друг от друга на кристалле, могут быть либо ориентированы в одном направлении, [35] в этом случае магнитный шаг полюса к полюсу должен быть в идеале в два раза больше шага элемента Холла к элементу. [4] В качестве альтернативы элементы Холла могут быть ориентированы под углом 90 градусов, чтобы обеспечить считывание по двум осям. [36] [37]
Медиа, связанные с датчиками Холла на Wikimedia Commons