Логические и линейные датчики Холла

В конце прошлого века молодой американский студент-физик  Эдвин Холл сделал открытие, вписавшее  его имя в учебники физики. Он проводил простой, "студенческий" опыт - изучал распространение тока в тонкой металлической пластинке, помещенной между полюсами сильного электромагнита. Прибор, с которым работал Холл, состоял из двух крест-накрест расположенных электрических цепей. Цепи различались тем, что одна из них содержала электрическую батарею, и ток от нее проходил вдоль пластинки, другая, поперечная, не имела источников тока и просто соединяла края пластины. Как и следовало ожидать, в случае, когда электромагнит был выключен, приборы фиксировали течение тока лишь вдоль пластины - в цепи с батареей - и его отсутствие в "пустой" поперечной цепи. Однако, если проводник с током был помещён в магнитное поле, то возникало э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю – эффект Холла иллюстрируется на рис. 1.

	Рис.1 Иллюстрация эффекта Холла

 

 

 

 

 

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: 

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.

 

 

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

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.

Интегральные датчики  Холла

Датчики Холла являются основой  многих типов датчиков, таких как  датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Интегральные датчики Холла производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices и др.

Первая группа интегральных датчиков Холла – это  линейные устройства, применяющиеся  в измерителях напряжённости магнитного поля. Как правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель (рис. 3).

 

Рис.3 Схема ИМС  линейного датчика Холла (а) и график его характеристики преобразования (б)

Современные технологии позволяют  ввести в состав ИМС датчиков магнитного поля сложные цифровые системы обработки  информации. Примером такой ИМС может  служить HAL805 фирмы Micronas Intermetall, содержащий на кристалле в трёхвыводном корпусе ТО92 АЦП, ЦАП, ЦПС и энергонезависимую память. Такая структура позволяет программировать чувствительность и смещение датчика, осуществлять фильтрацию помех и механических возмущений.

Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом (рис. 4а) делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния (см. рис. 4б). Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включённое состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком (см. рис. 4в).

 

Рис.4 Логический датчик Холла

Наличие ступени  гистерезиса, которая является разностью  между величинами магнитного поля в  точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства. Логический двухвыводной датчик Холла HAL556 производит фирма Micronas Intermetall. Эта микросхема (рис. 5) потребляет большой ток при приближении положительного полюса магнита к маркированной стороне корпуса и малый ток при удалении. HAL566 реализует обратные функции. Микросхемы имеют встроенную систему, увеличивающую напряжение, приложенное непосредственно к кристаллу датчика Холла, с тем чтобы сделать возможным применение недорогих постоянных магнитов, имеющих сравнительно малую коэрцитивную силу.

 

Рис.5 Двухвыводный логический датчик HAL556 обеспечивает изменение 
протекающего через него тока при изменении уровня магнитного поля

 

Применение  датчиков Холла

Ниже рассматриваются некоторые  наиболее популярные применения интегральных датчиков Холла. Перечень возможных применений этих датчиков далеко не ограничивается примерами, предложенными в этом списке. Технические задачи, для решения которых наиболее часто используются эти датчики, описываются в книге "Hall Effect Sensing and Application Book" (Honeywell MICRO SWITCH Sensing and Control. 1999.)

Линейные датчики Холла:

• датчики тока;
• приводы переменной частоты вращения;
• схемы управления и защиты электродвигателей;
• датчики положения;
• датчики расхода;
• бесколлекторные двигатели постоянного тока;
• бесконтактные потенциометры;
• датчики угла поворота;
• детекторы ферромагнитных тел;
• датчики вибрации;
• тахометры.

Логические датчики Холла:

• датчики частоты вращения;
• устройства синхронизации;
• датчики систем зажигания автомобилей;
• датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм);
• счётчики импульсов (принтеры, электроприводы);
• датчики положения клапанов;
• блокировка дверей;
• бесколлекторные двигатели постоянного тока;
• измерители расхода;
• бесконтактные реле;
• детекторы приближения;
• считыватели магнитных карточек или ключей;
• датчики бумаги (в принтерах).

Пример линейного датчика. Датчик тока.

 

Линейные датчики  Холла могут быть использованы в  составе измерителей силы тока в  пределах от 250 мА до тысяч ампер. Важнейшим  достоинством таких датчиков является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью. Линейные датчики позволяют измерять постоянные и переменные токи, в том числе токи довольно высокой частоты. Если линейный датчик Холла расположен вблизи проводника с током, то выходное напряжение датчика пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна току.

 

В простейшем случае датчик тока представляет собой конструкцию, в которой датчик Холла устанавливается около провода, по которому течёт измеряемый ток (рис. 6а).

 

 

Рис.6 Конструкция датчиков тока

 

Такие датчики  используются для измерения больших  токов, особенно в линиях электропередач. Индукция В определяется по формуле:

где r – расстояние от центра чувствительной области датчика до оси симметрии проводника в метрах. Чувствительность датчика тока может быть значительно увеличена путём использования концентратора магнитного потока в виде магнито-провода с прорезью, в которую помещается линейный датчик Холла (рис. 6б). В этом случае индукция магнитного потока через датчик:

 

Пример линейного датчика обратной связи по положению

 

Линейные датчики  Холла могут быть использованы во многих видах позиционных приводов. Это иллюстрируется на рис. 7.

 

 

 

Рис.7 Позиционный привод с датчиком Холла  в обратной связи по положению

 

 

Где, положение перемещаемой части, на которой закреплен магнит, устанавливается автоматически таким образом, чтобы разность между сигналом регулировки положения и сигналом датчика равнялась нулю. Бесколлекторные двигатели постоянного тока отличаются от обычных двигателей постоянного тока, имеющих коллекторно-щёточный узел, прежде всего тем, что коммутация секций якорной обмотки осуществляется электронной схемой, а не механическими скользящими контактами. Поэтому такие двигатели имеют гораздо больше надёжности и ресурс, требуют меньше обслуживания, почти не создают электромагнитных помех и могут использоваться при пониженном атмосферном давлении.

 

Рис.8 Датчики положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока

 

 

Рисунок 8 показывает, как может быть получена информация о положении ротора для управления электронным коммутатором с помощью трёх датчиков Холла. Работа двигателя этого типа, представляющего собой по существу синхронный двигатель, основана на принципе самосинхронизации. Необходимую для работы датчиков Холла конфигурацию магнитного поля создают постоянные магниты, установленные на валу ротора. Датчики считывают угловую позицию вала и передают эту информацию схеме управления, которая обеспечивает своевременное отпирание и запирание силовых ключей электронного коммутатора обмоток статора. Подобные датчики положения ротора используются и в системах векторного управления двигателями переменного тока.

 

Пример  логического датчика расхода. Расходомер.

 

Существуют  различные методы измерения расхода с использованием цифровых датчиков Холла, но принцип у них, как правило, общий: каждое изменение магнитного потока через датчик соответствует некоторой порции жидкости или газа, прошедшей через трубопровод. В примере, показанном на рис. 9, магнитное поле создаётся постоянными магнитами, установленными на лопастях рабочего колеса. Рабочее колесо вращается потоком воды. Датчик выдаёт два импульса за оборот колеса.

 

 

 

Рис.9 Датчик расхода

Основные характеристики датчиков Холла

Линейные датчики:

Полная шкала выхода соответствует диапазону выходных напряжений, в котором нелинейность не выходит из заданных пределов. Определяется как часть напряжения питания.

Диапазон измеряемой индукции, устанавливаемый изготовителем в гауссах или миллитеслах.

Чувствительность, определяемая как крутизна характеристики преобразования в мВ/Гс или мВ/мТл.

Погрешность линейности характеристики преобразования – отклонение статической характеристики преобразования датчика от идеальной прямой линии в заданном диапазоне давлений. Один из способов определения погрешности линейности состоит в использовании метода наименьших квадратов, который математически обеспечивает получение прямой линии наилучшего приближения к точкам данных. Указывается в процентах от полной шкалы.

Напряжение нуля магнитного поля – значение выходного напряжения, соответствующее отсутствию магнитного поля.

Температурный дрейф нуля – изменение напряжения нуля, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения нуля, соответствующего 25°С.

Температурный дрейф чувствительности – изменение чувствительности, вызванное изменением температуры. Указывается в %/°С от напряжения полной шкалы, соответствующего 25°С.

Время отклика, определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% установившегося значения его приращения при скачкообразном изменении магнитного поля.

Полоса пропускания f_S определяется по уровню снижения чувствительности на 3 дБ в режиме малого сигнала.

Логические датчики:

 
Индукция включения – значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от низкого к высокому уровню.

Индукция выключения – значение индукции, при которой происходит переход выходного напряжения датчика от высокого к низкому уровню.

Гистерезис – разность между индукциями включения и выключения.

Время переключения – определяется как время изменения выходного сигнала от 10% до 90% его установившегося значения при скачкообразном изменении индукции. Сертифицируется отдельно для нарастания и спада магнитного поля. Для двухвыводных датчиков сертифицируется ток потребления при низкой индукции (Н) и при высокой (В).

Компания Honeywell  

Многие промышленные задачи требуют определения присутствия, положения, перемещения, скорости вращения ферромагнитных объектов. Как правило, для решения таких задач используются компоненты на эффекте Холла, которые создают разность потенциалов под воздействием внешнего магнитного поля. Компания Honeywell выпускает датчики Холла двух типов: линейные и цифровые. Если линейные датчики используются для измерения небольших перемещений, то цифровые датчики служат для детектирования присутствия объекта в рабочей зоне датчика.

Серия датчиков положения SS400 имеет термосбалансированную схему в полном диапазоне рабочих температур. Оптимизирована компенсация отрицательного уклона для работы с недорогими магнитами с отрицательным температурным коэффициентом. Датчики могут работать с биполярными, униполярными и защелкивающимися магнитами.

Встроенные  стабилизатор питания элемента Холла  и схема нормализации сигнала  обеспечивают стабильную работу датчика  при широком диапазоне напряжения питания 3.8…30 В пост. тока. Универсальный  выход с открытым коллектором  удобен для подключения датчика  к любой нагрузке (например, микросхеме управления, микроконтроллеру, микросхеме логики).

Описание

• Цифровой выход по току
• Не чувствительны к механическим воздействиям
• Температурно компенсированный магнит
• Уровень срабатывания и отпускания по спецификации клиента
• Высокий выходной сигнал
• Симметричные относительно нуля точки срабатывания и отпускания
• Материал корпуса: Plaskon 3300H
• Доступна версия для поверхностного монтажа SS400-S с различными типами выводов

 

Технические характеристики

• Тип корпуса: радиальная микросхема
• Напряжение питания: 3.8…30 В
• Тип выходного сигнала: открытый коллектор
• Максимальное выходное напряжение: 40 В
• Тип магнита: униполярный
• Диапазон рабочих температур: -40…150°С
• Выходное напряжение: 0.4 В пост. тока макс.
• Время срабатывания: 0.05 мкс
• Время отпускания: 0.15 мкс
• Потребляемый ток: 7.5 мА
• Макс. Выходной ток: 20 мА
• Точка срабатывания: 8.5 мТ (85 G)
• Точка отпускания: 5.5 мТ (55 G)
• Ток утечки: 10 мкА
• Дифференциал: 3 мТ (30 G)

Примеры применений датчиков серии SS400

1. Анемометр-метеорологический прибор для определения скорости ветра.

Датчик SS400 измеряет вращение вала с помощью кольцевого 5/8” магнита. Устройство используется для считывания показаний скорости ветра.

2. Бесколлекторные DC моторы

Датчики SS400 используются для обеспечения механической коммутации в традиционных бесколлекторных двигателях. Применение датчиков Холла с широким рабочим температурным диапазоном позволяет использовать недорогие магниты. Датчики являются твердотельными устройствами без механических элементов и, таким образом, не требуют эксплуатационных затрат.

Размещение датчиков:

3. Швейное оборудование

Для вышивания монограммы важно  контролировать ширину между стяжками. Для этого используется датчик Холла SS400. Он калибрует механизм вышивания зигзага и служит нулевым значением, что обеспечивает идентичность нескольких монограмм.

Компания Melexis и датчики Холла

Уже более десяти лет Melexis разрабатывает  и производит различные виды электронных компонентов, таких как датчики Холла, радиочастотные схемы, датчики давления, акселерометры, инфракрасные и оптические датчики и т.д. Melexis является поставщиком практически для всех производителей автомобилей в Германии, а также для тройки производителей-лидеров во Франции и США. Сегодня более 200 моделей автомобилей используют продукцию Melexis. Но, хотя основная продукция компании рассчитана в основном на производителей автоэлектроники, специалисты различных областей найдут в линейке продукции необходимые для них изделия.

В данном разделе  представлены кремниевые бесконтактные датчики, переключатели и защелки на эффекте Холла. Работа этих микросхем устроена на измерении магнитных полей, что позволяет их использовать в качестве датчиков движения, положения, вращения в двигателях, акселераторах и тормозных системах, а также в качестве датчиков тока 

 

Наименование	Описание	Рабочий  температурный  диапазон	Тип корпуса	Область применения
Высокочувствительные биполярные переключатели на эффекте Холла
US2881 / US2882	Переключатель на эффекте Холла	-40°C  - 85°C  -40°C  -150°C	SO(SOT-23) or UA (TO-92 flat)	Коммутатор бесщеточных двигателей постоянного  тока, датчик скорости, твердотельный переключатель, датчик перемещения, направления.
US2884	Переключатель на эффекте Холла	-40°C  - 150°C	SO(SOT-23)
US4881	Маломощный переключатель  на эффекте Холла	-40°C  -  85°C  -40°C   - 125°C   -40°C  - 150°C	SO (SOT–23) or UA (TO–92)
Защелки на эффекте Холла
US1881	Многоцелевая  защелка на эффекте Холла	-40°C - 85°C  -40°C  - 125°C   -40°C - 150°C	SO (SOT-23) or UA(TO-92)	Датчик скорости, твердотельный переключатель, датчик перемещения,направления.
US3881	Маломощная  защелка на эффекте Холла	-40°C - 85°C  -40°C  - 125°C   -40°C  - 150°C	SO (SOT–23) or UA(TO–92)
Униполярные переключатели на эффекте Холла
US5781	Высокочувствительный переключатель на эффекте Холла	-40°C  -  85°C  -40°C  -   150°C	SO (SOT-23) or UA (TO-92)	Твердотельный переключатель, концевой переключатель, ограничитель  ток, прерыватель,  датчик направления
US5782	Высокочувствительный переключатель на эффекте Холла	-40°C  -  150°C	SO (SOT-23)
US5881	Многоцелевой  переключатель на эффекте Холла	-40°C  - 85°C  -40°C  - 150°C	SO (SOT-23) or UA (TO-92)
Линейные  датчики Холла
MLX90215	Прецизионный  программируемый линейный датчик Холла	-40°C  - 85°C  -40°C  - 150°C	UA	Датчик перемещения, вращения, потока. Датчик величины магнитного поля.
MLX90242	Линейный датчик Холла	-40°C  - 150°C   -40°C -  85°C	VA, UA, SO
MLX90251	Программируемый датчик холла	-40°C - 85°C  -40°C  - 150°C	VA
Датчики поворота, датчики тока
MLX90316	Программируемый датчик поворота	-40°C  - 125°C	SOIC-8, TSOP-16	Абсолютный датчик поворота, датчик положения педали, датчик положения дроссельной заслонки, датчик потока, бесконтактный датчик тока
2SA-10	Абсолютный датчик поворота	-40°C  - 125°C	SOIC-8
Специальные датчики Холла
MLX90217	Датчик положения  вала, шестерни	-40°C  - 150°C	UA (TO-92 flat)	Датчик положения  распределительного  вала,  шестерни.  Датчик перемещения вращения. Датчик определения направления вращения. Датчик скорости, датчик ABS
MLX90224	Двухканальный переключатель на эффекте холла	-40°C - 85°C	VA
MLX90254	Дифференциальный, динамический датчик  Холла	-40°C  - 150°C	VA (4 leads)
MLX90248	Ом-ниполярный высокочувствительный переключатель на эффекте Холла с низким потреблением	-40°C - 85°C	SO (SOT-23)	Переключатель с низким потреблением, в том числе в переносных устройствах

 

 

 

Компания Allegro Microsystems

Датчик тока на эффекте Холла

Датчики, выполненные  в виде микросхемы, состоят из очень  точного линейного датчика Холла, интегрированного на кристалл микросхемы, и медного проводника, размещенного близко к кристаллу. Электрический ток, протекая через проводник, создает магнитное поле, которое фиксируется датчиком Холла и преобразуется в напряжение, пропорциональное значению входного тока. Высокая точность, гальваническая изоляция измерительной схемы, термостабильность и малые габариты делают датчики хорошим решением для применения в преобразовательной технике, бытовой, автомобильной и промышленной электронике.

	ACS712 Датчик тока Датчик для  измерения постоянного и переменного тока до 30А на эффекте Холла, интегрированный в малогабаритный корпус SOIC8, имеющий гальваническую развязку с напряжением пробоя 2,1 кВ (RMS).
	ACS713 Датчик тока Модификация датчика  тока ACS712 для измерения постоянного  тока.
	ACS754 Датчик тока Последняя и  наиболее высокоточная серия датчиков для измерения переменного и  постоянного тока до 200А.
	ACS755 Датчик тока Модификация датчика  тока ACS754 для измерения постоянного  тока.
	ACS758 Датчик тока Датчик для  измерения постоянного или переменного  тока от 0 до 200А с максимальной частотой до 120 кГц , имеющий гальваническую развязку силовых и сигнальных цепей .