Эффект Холла был открыт в 1879 г. американским ученым Эдвином Гербертом Холлом. Он занимался решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, возбуждаемой током, от наличия рядом с ней постоянного магнита. Проведя тысячи опытов, он обнаружил, что если направление магнитного поля перпендикулярно направлению тока в проводнике, то в поперечном
направлении (и к току, и к вектору индукции магнитного поля) появляется напряжение Uh, называемое напряжением
Холла (рис.1). Это напряжение определяется по следующей формуле: Uh = Rh H I sin w/d, где Rh — коэффициент Холла, который сильно зависит от материала проводника; Н — напряженность магнитного поля; I — ток в проводнике; w — угол между направлением тока и вектором индукции магнитного поля (если w = 90°, sin w = 1); d — толщина материала.
Открытие Холла потрясло современников тем, что он ухитрился измерить сверхмалые напряжения, так как использованный им материал (золотая пластинка) имел очень малый коэффициент Rh. По этой причине эффект Холла оставался лабораторным курьезом и не находил применения вплоть до середины нашего столетия, когда были открыты материалы, имеющие достаточно высокий коэффициент Rh. К этим материалам относятся: сверхчистый германий или кремний, сплав магния, цинка и кобальта, арсенид индия, антимонид индия, арсенид галлия. Чаще всего в настоящее время используется арсенид индия, так как он имеет низкий температурный коэффициент (менее — 0,1%/°С) и низкое электрическое сопротивление.
Датчик Холла по сравнению с другими датчиками имеет уникальную особенность: выходной эффект определяется произведением входных эффектов.
Благодаря этому области применения датчиков Холла обширны. Перечислим некоторые из них:
1) считывание данных с магнитных карточек;
2) датчики приближения;
3) датчики скорости вращения;
4) измерение мощности;
5) перемножители;
6) измерение магнитного поля;
7) измерение тока;
8) линейные (угловые) преобразователи;
9) магнитные головки;
10) измерение воздушных зазоров;
11) измерение температуры.
Поскольку напряжение Холла невелико, к выводам напряжения Холла обычно подключают операционный усилитель ОУ (рис.2,а).
Если к выходу ОУ подключить триггер Шмитта (рис.2,б), то схему можно подключить к цифровым узлам. Эта схема представляет собой пороговое устройство, срабатывающее при определенном уровне напряженности магнитного поля (иногда его называют переключателем Холла).
Датчики Холла обычно используют в паре с постоянными магнитами. В варианте рис.2,б датчик срабатывает при приближении постоянного магнита на определенное расстояние. Если закрепить постоянный магнит, например, на вращающемся валу, то можно построить счетчик оборотов вала. Можно и не закреплять магнит на движущейся ферромагнитной детали. На рис.3 показана
схема взаимодействия, при которой деталь (например, лопасть винта) экранирует магнитное поле постоянного магнита. Обычно датчики Холла срабатывают при магнитном потоке 100-200 Гс.
Выпускают трехвыводные датчики Холла (рис.4,а). В корпусе датчика Холла устанавливают n-p-n транзистор с открытым коллектором. На рис.4,б показана схема подключения такого датчика Холла к логическому КМОП-элементу. На рис.4,в показана схема подключения светодиода к датчику Холла.
Обычно ток через транзистор датчика не должен превышать 20 мА. Учитывая падение напряжения на светодиоде порядка 1,5 В, можно рассчитать сопротивление резистора: R = (12 — 1,5)В/0,02 А = 525 Ом (выбираем близкое значение из стандартного ряда 560 Ом). Для подключения мощной нагрузки необходимо установить усилитель тока. На рис.5 показано включение нагрузки в сети переменного тока через мощный симистор.
Ток управляющего электрода симистора 80 мА формируется в дополнительном транзисторе — усилителе тока.
Обычно магнитное поле проводника с током недостаточно интенсивное для работы датчика Холла. Чувствительность
датчиков Холла составляет 1…5 мВ/Гс. Магнитная индукция проводника с током оценивается по формуле В (Гаусс) =I(А)/4пr(дюймов), где r — расстояние от оси проводника. Поэтому для измерения слабых токов применяют конструкцию рис.6, в которой проводник с током обвивает тороидальный сердечник с зазором, в зазоре устанавливают датчик Холла. При зазоре 1,5 мм магнитная индукция составит 6 Гс/А. Для измерения сильных токов (более 25 А) применяют конструкцию рис.7, в которой проводник с током пропускают через тороидальный сердечник. Материал сердечника — альсифер или (на высоких частотах) феррит.
На переключателе Холла можно построить токовое реле. Магнитное поле катушки с током замыкается через переключатель Холла (рис.8). Если порог срабатывания переключателя Холла составляет 200 Гс, то количество витков катушки для заданного тока I рассчитывают по формуле N = 33/I (А). Например, для тока 100 мА необходимо намотать 330 витков.
В табл.1 приведены параметры датчиков Холла фирмы Allegro MicroSystems,Inc.
В табл.2 приведены параметры датчиков Холла фирмы Honeywel
Литература
Конструктор № 1/2000
Загрузка...