Что такое эффект Холла и как работают датчики Холла

Эффект Холла является наиболее распространенным методом измерения магнитного поля, а датчики Холла очень популярны и имеют множество современных применений. Например, их можно найти в транспортных средствах в качестве датчиков скорости колес, а также датчиков положения коленчатого или распределительного вала. Также их часто используют в качестве переключателей, MEMS-компасов, датчиков приближения и так далее. В этой статье мы рассмотрим что собой представляет эффект Холла и как работают датчики на его основе.

Ранее на нашем сайте мы рассматривали различные проекты применения датчиков Холла, наиболее популярными из которых являются:

Что такое эффект Холла?

Вот эксперимент, который объясняет эффект Холла: если у нас есть тонкая проводящая пластина, как показано на рисунке, и мы заставляем ток течь через нее, носители заряда будут течь по прямой линии от одной стороны пластины к другой.

Теперь, если мы поднесем некоторое магнитное поле к пластине, мы нарушим прямой поток носителей заряда из-за силы, называемой силой Лоренца. В таком случае электроны отклонятся к одной стороне пластины, а положительные дырки — к другой стороне пластины. Это означает, что если мы поместим измеритель между двумя другими сторонами, мы получим некоторое напряжение, которое можно измерить.

Итак, эффект получения измеримого напряжения, как мы объясняли выше, называется эффектом Холла в честь Эдвина Холла, который открыл его в 1879 году.

Датчики Холла

Основной элемент Холла магнитных датчиков на эффекте Холла в основном обеспечивает очень небольшое напряжение, всего несколько микровольт на гаусс, поэтому эти устройства обычно производятся со встроенными усилителями с высоким коэффициентом усиления.

Существует два типа датчиков Холла: один обеспечивает аналоговый, а другой цифровой выход. Аналоговый датчик состоит из регулятора напряжения, элемента Холла и усилителя. Из принципиальной схемы мы видим, что выходной сигнал датчика является аналоговым и пропорциональным выходному сигналу элемента Холла или напряженности магнитного поля. Датчики этого типа подходят и используются для измерения близости из-за их непрерывного линейного выходного сигнала.

С другой стороны, датчики с цифровым выходом обеспечивают только два выходных состояния: «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Датчики этого типа имеют дополнительный элемент, как показано на принципиальных схемах. Это триггер Шмитта, который обеспечивает гистерезис или два разных пороговых уровня, поэтому выходной сигнал либо высокий, либо низкий.

Примером датчика этого типа является переключатель на эффекте Холла. Они часто используются в качестве концевых выключателей, например, в 3D-принтерах и станках с ЧПУ, а также для обнаружения и позиционирования в системах промышленной автоматизации.

Другими современными применениями этих датчиков являются измерение скорости колеса/ротора или оборотов в минуту, а также определение положения коленчатого или распределительного вала в системах двигателя. Эти датчики состоят из элемента Холла и постоянного магнита, которые расположены рядом с зубчатым диском, прикрепленным к вращающемуся валу.

Зазор между датчиком и зубцами диска очень мал, поэтому каждый раз, когда зуб проходит рядом с датчиком, окружающее магнитное поле изменяется, что приводит к повышению или понижению выходного сигнала датчика. Таким образом, выходной сигнал датчика представляет собой сигнал прямоугольной формы, который можно легко использовать для расчета частоты вращения вращающегося вала.