Принцип роботи та застосування датчика Холла

Датчик Холла – прилад, призначений для вимірювання напруженості магнітного поля. Його робота заснована на ефекті Холла, який являє собою явище виникнення різниці потенціалів в магнітному полі при приміщенні в нього провідника з постійним струмом. Це пристрій знайшло широке застосування в різних приладах і механізмах.

Історія створення приладу

В кінці XIX століття американський вчений з Балтімора Едвін Герберт Холл помістив напівпровідникову пластину в магнітне поле і підключив до неї електричний струм. Така дія призвело до появи напруги на широких сторонах пластини.

Це явище отримало назву ефекту Холла і привернуло увагу громадськості. Через 75 років, коли промисловість почала випускати напівпровідникові плівки, це відкриття знайшло широке застосування в області техніки. Сьогодні датчики використовуються:

1. В електронному запалюванні на автомобілях.
2. У двигунах комп'ютерного дисковода і вентилятора.
3. Як основа електронного компаса в смартфонах.
4. В безконтактних електричних приладах для вимірювання сили струму і напруги.
5. У деяких моделях іонних реактивних двигунів.

Перші різновиди датчиків стали випускатися в середині XX століття. У 1965 році американські фахівці створили твердотільний прилад, який значно поліпшив роботу обладнання. Датчики вважаються практично вічними, тому що не мають взаємодіючих і труться елементів.

Конструктивні особливості

Найбільш ефективними матеріалами для виготовлення датчика вважаються напівпровідники арсеніди галію і індію. Найчастіше прилад являє собою плівку, товщина якої не перевищує 10 мкм. Датчик має три клеми:

• живить з вхідною напругою 6В;
• нульовий контакт;
• вихідна, з якої сигнал надходить на комутатор.

Клема, до якої підходить харчування, широка і займає всю сторону прямокутника. Вихідна клема має точковим електродом. В якості нульового контакту виступає загальна точка. Так як при відсутності магнітного поля на контактах залишається невеликою сигнал, то для корекції вихідних даних застосовується диференційний підсилювач.

Мікросхема наноситься на підкладку методом літографії, що дозволяє підвищити точність показань. Зазвичай в різних приладах це застосовується для перевірки стану елементів механізму.

Принцип дії

Принцип роботи датчика Холла заснований на гальваномагнітними явище, яке показує результат взаємодії магнітного поля з напівпровідником. Напівпровідник підключений до електричного кола, яка змінює його властивості.

Як тільки з'являється поперечне напруга, то відразу виникає ефект Холла. У цей момент заряд спрямований перпендикулярно вектору поля. Таке явище пояснюється впливом на електрони або дірки сили Лоренца, яка і призводить до їх відхилення.

Під впливом цієї сили частки в напівпровіднику рухаються в різні боки, відповідно до свого знаком. На одній стороні пластини збираються електрони (негативний заряд), а на іншій частки з позитивним знаком.

У міру накопичення зарядів між ними виникає електричний потік, який перешкоджає їх переміщенню під впливом сили Лоренца. При досягненні рівності цієї сили і магнітного поля напівпровідник вступає в фазу рівноваги. Саме так і працює датчик Холла.

види пристроїв

Основним завданням цього приладу вважається визначення напруженості магнітного потоку. Практично це сенсор визначення значень магнітного поля. Існують датчики двох видів:

Цифрові прилади бувають біполярними і уніполярними. Біполярні елементи працюють в залежності від полярності магнітного поля, тобто одна включає датчик, а друга відключає.

Уніполярні прилади включаються при появі будь-якої полярності і відключаються в міру її зменшення. Цифрові сенсори вимірюють індукцію і поява відповідного напруги, тобто наявність або відсутність магнітного поля.

Прилад показує одиницю, коли індукція поля досягає порогове значення. До цього моменту сенсор буде показувати нуль. Такий датчик не зможе визначити наявність магнітного поля зі слабкою індукцією. Крім того, на точність показань впливатиме дистанція до вимірюваного об'єкта.

застосування датчика

Широко застосовуються перетворювачі Холла в сучасній побутовій техніці. З їх допомогою відбувається зважування білизни в пральних машинах. При запуску агрегату речі спочатку намокають, а потім починає обертатися барабан. За його швидкості обертання визначається загальна вага і відбувається програмування машини на витрату порошку, води та ополіскувача.

У серійному виробництві вперше датчики стали використовуватися в комп'ютерних клавіатурах. Тут відбувається взаємодія чутливого елемента на платі і магніту на клавішах. Пружність здійснюється за рахунок полімерного матеріалу, який володіє великим терміном служби.

Єдиним елементом, який може зламатися в клавіатурі є контролер. Електрики дуже часто користуються датчиком Холла, Коли заміряють безконтактними кліщами силу струму в проводах. Вимірювальний прилад реагує на зміну електромагнітного поля навколо кабелів і проводів.

Завдяки індуктивності з мідного дроту, що знаходиться в кліщах, створюється збудження і утворюється електромагнітна хвиля. Частина її значення оцінюється сенсором, який передає дані в контролер. За закладеним в ньому формулами проводиться розрахунок, і результат виводиться на дисплей.

Застосовуються датчики в стільникових телефонах для стеження за зарядом акумулятора і його витратою. Але дуже важливим такий момент вважається в експлуатації електромобілів, так як наявність енергії в них займає особливе місце. Використовуються перетворювачі Холла в електронних компасах і як стабілізатор зображень в мобільних камерах.

Але особливо широко ці прилади застосовуються в автомобільній промисловості. В автомобілях з їх допомогою відбувається визначення частоти обертання коленвала двигуна, положення дросельної заслінки, швидкості руху автомобіля і так далі. Застосовується датчик в електронній системі запалювання. Знаходиться він в трамблере і замінює контакти для утворення іскри.

Використання сенсорів в смартфонах

Завдяки невеликим розмірам датчики Холла знайшли широке застосування в сучасних електронних гаджетах. У смартфонах вони допомагають повертати екран у вихідне положення, забезпечують швидкий запуск GPS пошуку, збільшують термін служби акумуляторної батареї і так далі.

Здатність реагувати на магнітне поле використовується в розкладаються телефонах і ноутбуках. Завдяки наявності датчика, відбувається включення пристроїв при відкритті і відключення при виході. У смартфонах таку ж функцію виконує датчик, який взаємодіє з магнітом, вбудованим в чохол книжку. Коли чохол відкривається, то вплив поля слабшає і сенсор включає підсвічування екрану. Перетворювач Холла в гаджетах виконує наступні корисні функції:

• забезпечує орієнтування по відношенню до горизонту землі;
• працює в якості компаса мобільного пристрою;
• здійснює орієнтування екрану.

Важливе значення датчик має в пристрої відеокамери. Укупі зі спеціальною мікросхемою він дозволяє коригувати якість зображення. Особливо це проявляється при зйомках у вечірній час.