Интегральные датчики Холла — статья Георгия Волович. Интегральные датчики магнитного поля. Принцип действия датчика Холла, схемы, формулы, иллюстрации.

В статье описаны принципы построения и основные характеристики линейных и логических микросхем датчиков магнитного поля на эффекте Холла. Приведены параметры некоторых промышленных типов этих датчиков и примеры их применения.

Принцип действия датчика Холла

Рис.1 Иллюстация эффекта Холла

Интегральные датчики магнитного поля в своём большинстве используют эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E. Hall) в 1879 г. Эффект Холла состоит в следующем. Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла. Эта э.д.с. пропорциональна векторному произведению индукции

B на плотность тока j:

Рис.2 Расположение двух элементов Холла на ИМС, компенсирующее ошибку, вызванную механической деформацией кристалла

где

d – ширина пластины, q – заряд частицы-носителя, n – концентрация носителей. При снижении концентрации носителей э. д.с. Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний, арсенид галлия и др. Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис. 1, эта э.д.с. равна

где k_н – постоянная Холла, V_S

– напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла. Для кремния k_н составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл), поэтому, как правило, э.д.с. датчика Холла требуется усиливать. Кремний обладает тензорезистивным эффектом, заключающимся в изменении сопротивления при механических напряжениях. Желательно уменьшить это влияние в датчике Холла. Это достигается соответствующей ориентацией элемента Холла на интегральной схеме и использованием нескольких элементов на кристалле. На рис. 2 показаны два элемента Холла, расположенные рядом на кристалле ИМС. Они позиционированы так, что испытывают практически одинаковое механическое напряжение, вызывающее изменение R. К элементу, который на рисунке изображён слева, приложено напряжение возбуждения V_S, направленное по вертикальной оси, а к изображённому справа – по горизонтальной. При сложении сигналов этих двух датчиков ошибка, вызванная деформацией кристалла, компенсируется.

…дальше

Принцип действия датчика Холла
Интегральные датчики Холла
Применение датчиков Холла
Основные характеристики датчиков Холла

Датчик Холла: устройство и принцип работы

Когда американский физик Эдвин Холл открывал свой эффект взаимодействия электрического тока с магнитным полем, у него и в мыслях не было, что чаще всего его фамилия станет употребляться на автомобильных рынках в России. Удивительно, но факт — самые разные люди, весьма далёкие от физики, понятия не имеющие кто такой Холл, знают, что такое датчик Холла в автомобиле, и даже одно время страдали от их дефицита.

Содержание

В чём проявляется эффект Холла, и как это можно использовать в технике

Магнитное поле широко используется в автомобильной технике, несмотря на свою невидимость и неосязаемость. Даже свет, состоящий из электрических и магнитных полей, воспринимается благодаря своей электрической составляющей. Тем не менее, с помощью специальных магниточувствительных датчиков поле можно зафиксировать и даже измерить.

В основу одного из таких датчиков лёг эффект Холла, заключающийся в появлении поперечной разницы потенциалов на кристалле полупроводника, вдоль которого течёт ток. Образуется она только при помещении кристалла в магнитное поле, всё прочее пластину легированного кремния не поляризует. Это напряжение и подлежит фиксации, означая, что датчик попал в зону действия магнитного поля.

Собственно, всего этого недостаточно для использования кристалла в качестве датчика. Магнитное поле присутствует везде, надо определить его превышение над естественным фоном и помехами.

Для этого к пластине подключается усилитель слабого сигнала и регулируемый пороговый элемент (компаратор). Вся схема выдаёт на выходе логический «0» по электрическому уровню, если поле есть, и логическую единицу во всех прочих случаях. Такая негативная логика обычно принята в цифровой технике. А чтобы в момент смены сигнала не наблюдалась «болтанка» выхода из-за неопределённости, устройство снабжается триггером Шмитта. Это такая схема, которая обеспечивает амплитудное запаздывание срабатывания (гистерезис), защищая от цифрового дребезга и помех в момент переключения, гарантируя одиночный крутой фронт сигнала и однозначность привязки во времени.

Устройство и принцип действия датчика

Если бы всё перечисленное выполнялось на дискретных элементах, то датчик был бы размером с магнитолу, столько же стоил, работал ненадёжно и потреблял много электроэнергии. В реальности всё устройство датчика Холла выполняется методами интегральной микроэлектроники всё на том же полупроводниковом кристалле, который с лёгкой руки деятелей из Кремниевой долины давно уже принято называть чипом.

Сам датчик миниатюрен настолько, что его размерами можно пренебречь на фоне габаритов корпуса, электрического разъёма, подводящих проводов и вспомогательного постоянного магнита. Кристалл полностью заливается пластмассой для защиты от внешних воздействий, снаружи остаётся только разъём и полюс магнита. В зависимости от назначения, датчик может иметь прорезь, внутри которой будет проходить край задающего синхронизацию реперного диска с пазами.

Принцип работы датчика Холла в автомобилях состоит в том, что при появлении в рабочей зоне изменений магнитного поля, например, прорези реперного диска вместо его цельной части, или ступеньки на шкиве, или метки на фланце распредвала, сигнал на выходе сменит своё значение с нуля на единицу или наоборот. Таким образом, электронный блок, считывающий показания датчика, узнает о наступлении определённого момента во вращении вала, например, верхней мёртвой точки поршня определённого цилиндра или любого его положения относительно этой ВМТ, нужная информация задаётся разработчиками двигателя. Это ложится в основу расчёта блоком управления двигателя таких важных данных, как момент зажигания, периодичность впрыска топлива, порядок открытия форсунок.

Читайте также: Вариатор в машине — принцип работы, плюсы и минусы

Разные случаи применения датчиков на эффекте Холла

Впервые такой датчик был использован на автомобилях с карбюраторными двигателями для замены контактов системы зажигания. Потом появились и другие применения магниточувствительных сенсоров.

Датчик Холла в системе зажигания карбюраторного двигателя

Классическая батарейная система зажигания действует по принципу накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания за счёт протекания тока по её первичной обмотке с последующим резким разрыванием цепи, что вызывает рост напряжения на вторичной обмотке и искровой разряд в свече. Контакты прерывателя при этом работают в крайне тяжёлых условиях, обгорают, изнашиваются и долго не живут. К тому же их возможности ограничивают рост мощности системы, а значит и работу двигателя с дальнейшим обеднением смеси для экономии горючего.

Проблему частично решило появление электронной бесконтактной системы зажигания с прерывателем на основе датчика Холла (ДХ). Здесь уже нет обгорающих и требующих регулировки зазора контактов, имеется лишь реперный диск, вращающийся в прорези датчика. Пока мимо магнита ДХ проходит цельная стенка диска, коммутатор зажигания, представляющий собой простой усилитель тока, управляемый сигналом ДХ, отдыхает, то есть ждёт момента начала накопления энергии. По переднему фронту прорези выходной ключ коммутатора открывается, начинается накопление энергии в катушке.

Ток увеличивается не до бесконечности. Выйдя на расчётную номинальную величину порядка полутора десятков ампер, он стабилизируется, а в момент появления второго края прорези датчик срабатывает, ключ размыкается, начинается рост напряжения на обмотках катушки вплоть до пробоя искрового зазора.

Датчик Холла здесь полностью оправдывает свои способности, он очень точно и стабильно задаёт моменты срабатывания всех элементов системы, а значит и ровную работу двигателя без пропусков зажигания и детонации. Сам ДХ при этом не изнашивается, служит теоретически вечно, избавляя водителей и ремонтников от всех неприятностей классического контактного прерывателя-распределителя (трамблёра). И только бракованные детали, а также мнительность заставляли людей покупать датчики для проверки и впрок, создавая дефицит, о котором было упомянуто ранее.

В качестве датчика положение коленчатого вала (ДПКВ)

Чаще всего здесь используется простейший и надёжный индуктивный ДПКВ. Это обычная катушка с тонким проводом, намотанная на постоянный магнит. Мимо неё проходит зубчатый венец шкива коленвала, на котором один зубец отсутствует. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов переменного тока, один из которых имеет увеличенную длительность и амплитуду. Компьютеру электронного блока управления двигателем (ЭБУ) не составит труда, располагая такой временной диаграммой, привязать все процессы во времени к фазам положения коленвала.

Однако некоторых разработчиков подобная простота не устраивала, возможно, им хотелось большей точности, поэтому в качестве датчика они использовали всё тот же ДХ. Принцип работы здесь такой же, зубцы задающего шкива замыкают и размыкают магнитный поток через датчик, изменяя его выходной цифровой сигнал. Получается последовательность импульсов, по форме несколько другая, но несущая в точности ту же самую информацию и выполняющая те же цели. Это основной и самый главный датчик двигателя, единственный, без которого мотор даже не заведётся, поэтому датчик Холла это то, что здесь нужно, повышенная надёжность тут очень кстати.

Выдача сигналов о положении распределительного вала

Очень хорошо датчику Холла подходит ещё одна работа, для которой он часто используется. Это синхронизация фазированного многоточечного впрыска топлива.

Вообще, системы впрыска могут быть самыми различными:

• одноточечные, или моновпрыск, не сильно отличается от карбюратора, имеется один центральный модуль, где форсунка распыляет бензин во впускной коллектор, откуда он равномерно, или не очень, всасывается цилиндрами;
• многоточечный, здесь на каждый цилиндр приходится своя форсунка, срабатывающая после окончания такта выпуска, чтобы подготовить смесь к впуску;
• многоточечный фазированный, для его реализации как раз и потребуется датчик Холла.

Недостатком обычного впрыска является отсутствие его точной синхронизации с моментом начала впуска в конкретный цилиндр. Дело в том, что информация для ЭБУ приходит с датчика коленвала, а по его положению невозможно точно засечь конкретный такт в цилиндре, ведь полный цикл требует двух оборотов вала, которые с точки зрения ДПКВ абсолютно одинаковые и ничем не различаются. Поэтому впрыск будет происходить два раза за цикл, причём один раз совершенно бесполезно, на закрытый перед рабочим ходом впускной клапан.

Для совершенствования системы был применён датчик положения распредвала, разумеется, на эффекте Холла. Конструкция уже известна, дисковый репер и магнитный ДХ с выходом на ЭБУ. Теперь блок управления точно знает, как отличить ВМТ сжатия от ВМТ выпуска и каждая форсунка откроется строго в нужный момент. У бензина не будет времени, чтобы бесполезно оседать на стенках коллектора.

Читайте также: Что такое коробка передач DSG

Как проверяют ДХ при возникновении подозрений

Устройство это очень надёжное, но абсолютной защиты от неисправности не существует. Поэтому иногда приходится проверять и эти датчики.

1. Самое простое — подменить ДХ на заведомо исправный. Это избавит от возни со щупами, пробниками и осциллографами. А стоит датчик недорого, его всегда полезно иметь в запасе если не для замены, то именно для проверки забарахлившей системы впрыска или зажигания.
2. Люди, знающие принцип действия датчика Холла, могут проверить его простейшими и не очень приборами.
   Например, щупом-пробником со светодиодом. Выход датчика представляет собой каскад с открытым коллектором. Это означает, что в положении физического нуля транзистор открыт, и если пробник включён между плюсом питания и выходом ДХ, то индикатор засветится. Перемещая репер перед полюсами датчика, можно заставить его мигать, что почти точно укажет на исправность ДХ и подсоединённых цепей проводки.
3. Слово «почти» было употреблено в том смысле, что точно убедиться в исправности можно лишь с помощью цифрового запоминающего осциллографа, который имеется у многих диагностов как приставка к ноутбуку. С его применением можно проверить параметр, который недоступен щупам — быстродействие датчика. Фронты напряжения должны быть достаточно крутыми, что осциллограф и покажет. «Заваленный» фронт может оказаться тем самым случаем, когда датчик вроде работает, и пробник или мультиметр это подтверждают, а система сбоит и светит ошибки.

Почти все случаи, поясняющие, что такое датчик Холла в автомобиле, рассмотрены, остаётся упомянуть вполне возможное менее явное присутствие этих небольших приборов в автоэлектронике. Многие машины оснащаются достаточно мощными электродвигателями, где также для работы силовой электроники используются датчики Холла, следящие за положением ротора в магнитном поле. И даже этим, возможно, проникновение ДХ в авто не заканчивается. Компактный, надёжный и точный прибор всегда найдёт себе область работы во всё больше обрастающем электроникой современном автомобиле.

Вам также будет интересно почитать:

Принцип эффекта Холла I Melexis

Принцип эффекта Холла назван в честь физика Эдвина Холла. В 1879 году он обнаружил, что, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, помещают перпендикулярно магнитному полю, напряжение можно измерить под прямым углом к ​​пути тока. Распространенной аналогией, популярной во время открытия Холла, была аналогия электрического тока в проводе с текущей жидкостью в трубе. Теория Холла приравнивала магнитную силу к току, что приводило к скоплению на одной стороне «трубы» или провода. Теория электромагнитного поля позволила более точно интерпретировать физику, ответственную за эффект Холла.

Хорошо известно, что эффект Холла возникает в результате взаимодействия заряженных частиц, таких как электроны, в ответ на электрические и магнитные поля. Отличное подробное, но легко читаемое объяснение можно найти в книге Эда Рамсдена «Датчики на эффекте Холла: теория и приложения». А также в Википедии.

Первоначально это открытие использовалось для классификации химических образцов. Разработка полупроводниковых соединений арсенида индия в XIX в.50-е годы привели к появлению первых полезных магнитных инструментов на эффекте Холла. Датчики Холла позволяли измерять постоянные или статические магнитные поля, не требуя движения датчика. В 1960-х годах популяризация кремниевых полупроводников привела к появлению первых комбинаций элементов Холла и интегральных усилителей. Это привело к появлению классического переключателя Холла с цифровым выходом.

Непрерывная эволюция технологии датчиков Холла привела к переходу от одноэлементных устройств к двойным ортогонально расположенным элементам. Это было сделано для минимизации смещения на клеммах напряжения Холла.

Следующим этапом стали квадратичные или четырехэлементные преобразователи. В них использовались четыре элемента, ортогонально расположенные в конфигурации моста. Все кремниевые датчики той эпохи были построены на основе полупроводниковых процессов с биполярным переходом.

Переход на КМОП-процессы позволил реализовать стабилизацию прерывателя в усилителе схемы. Это помогло уменьшить количество ошибок за счет уменьшения ошибок смещения входа на операционном усилителе. Все ошибки в стабилизированной цепи без прерывателя приводят к ошибкам порога переключения для датчиков цифрового типа или к ошибкам смещения и усиления для датчиков с линейным выходом.

Текущее поколение КМОП-датчиков Холла также включает в себя схему, которая активно переключает направление тока через элементы Холла. Эта схема устраняет ошибки смещения, характерные для полупроводниковых элементов Холла. Он также активно компенсирует ошибки смещения, вызванные температурой и деформацией. Общий эффект от активного переключения пластин и стабилизации прерывателя дает датчикам на эффекте Холла улучшенный на порядок дрейф точек переключения или ошибки усиления и смещения.

Компания Melexis использует исключительно процесс CMOS для обеспечения наилучшей производительности и минимального размера микросхемы. Текущие разработки в технологии датчиков Холла в основном связаны с интеграцией сложных схем формирования сигнала в ИС Холла.

Компания Melexis представила первую в мире программируемую линейную интегральную схему Холла. Он позволяет программировать функциональные характеристики, такие как усиление, смещение, температурный коэффициент усиления (для компенсации тепловых зависимостей различных магнитных материалов). Новейшие ИС Холла имеют встроенные ядра микроконтроллера, чтобы сделать еще более «умный» датчик с программируемыми в ПЗУ алгоритмами для сложной обработки сигналов в режиме реального времени.

Пример использования компанией Melexis эффекта Холла

• Triaxis®: уникальное сенсорное решение
• Технический доклад IMC-Hall® по измерению тока

Продукты Melexis, использующие эффект Холла

• ИС магнитных датчиков положения
• ИС датчика тока
• ИС магнитных защелок и переключателей

Принцип работы, преимущества и области применения

Содержание

• Что такое датчик Холла?
• Как работает датчик Холла: принцип работы
• Преимущества и ограничения датчиков Холла
• Применение датчиков Холла

Что такое датчик Холла?

Датчик на эффекте Холла представляет собой тип твердотельного магнитного датчика, который может обнаруживать наличие и величину магнитного поля. Выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально напряженности магнитного поля.

В этой статье рассказывается о принципе работы датчика Холла, его преимуществах и применении.

Материалы

Вот список полупроводниковых материалов, которые мы можем использовать для производства датчиков Холла.

1. Арсенид галлия (GAAS)
2. Графен
3. Индий -фосфид (INP)
4. Индий -арсенид (INAS)

Зал. Пробье

Проблем зала сдерживает.

Как работает датчик Холла: принцип работы

Датчик Холла состоит из прямоугольного полупроводника р-типа.

В активном режиме через полупроводник всегда проходит непрерывный ток. Этот непрерывный ток приводит к движению электронов по прямой линии.

В присутствии магнитного поля движущиеся электроны в полупроводнике отклоняются от прямой линии из-за силы Лоренца. Степень движения электронов зависит от силы магнитного поля.

Движение электронов создает разность потенциалов внутри полупроводникового материала.

Разность потенциалов ∝ Непрерывный электрический ток и напряженность магнитного поля

Таким образом, датчик Холла определяет наличие и напряженность магнитного поля путем измерения разности потенциалов на полупроводниковом материале.

Южный полюс магнита рядом с датчиком Холла создает разность потенциалов, тогда как северный полюс не вызывает разности потенциалов.

Преимущества и недостатки датчиков Холла

Преимущества

• Низкая стоимость.
• Может определять величину и ориентацию магнитного поля.
• Бесконтактный режим.
• Низкие эксплуатационные расходы.
• Невосприимчивость к вибрации, пыли и воде.

Ограничения

• Требуется непрерывный входной ток
• Мы Не можем использовать магнитные датчики при наличии внешнего магнитного поля

Применение датчиков Холла

Датчики Холла имеют различные применения для определения положения, приближения, направленного движения, определения скорости и тока. Вот список приложений датчиков холла.

Двоичный переключатель

MLX92242 Программируемый датчик Холла

Датчики Холла с определением порога могут работать как двоичные переключатели. Они применяются в пневматических цилиндрах, обнаруживают недостающую бумагу в принтерах, обнаруживают Airpods в корпусе зарядного устройства и т. д.

Щелкните эту ссылку для получения дополнительной информации о программируемом переключателе Холла MLX92242.

Автомобильные приложения

Индикатор уровня топлива Датчик положения дроссельной заслонки Vishay

Датчики Холла используются в автомобильных устройствах для определения положения, расстояния и скорости. Вот список применений датчиков Холла в автомобилях.

• Индикаторы уровня топлива.
• Измерение положения дроссельной заслонки
• Электронное рулевое управление
• Датчики Холла определяют угол опережения зажигания в двигателях внутреннего сгорания.