Датчик Холла — принцип работы и применение¶

Датчик Холла — это прибор для измерения величины и направления магнитного поля, работающий на эффекте Холла, открытом американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Датчик преобразует магнитную индукцию в электрическое напряжение, что позволяет использовать его для бесконтактного измерения тока, определения положения и скорости объектов, а также в качестве бесконтактных выключателей.

¶Физический принцип работы

Эффект Холла состоит в следующем: если через тонкую пластину полупроводника или металла пропускать электрический ток, а перпендикулярно направлению тока прикладывать магнитное поле, то на боковых гранях пластины возникает разность потенциалов — напряжение Холла. Это явление объясняется действием силы Лоренца на носители заряда: электроны (или дырки), движущиеся под током, отклоняются магнитным полем к одной из сторон пластины, создавая пространственный заряд и соответствующее электрическое поле.

Напряжение Холла пропорционально силе тока, протекающего через пластину, и магнитной индукции, и обратно пропорционально толщине пластины и плотности носителей заряда. Для увеличения чувствительности пластины делают максимально тонкими, а материалом служат полупроводники (арсенид галлия, индий-сурьма, кремний) с низкой плотностью носителей заряда — это даёт напряжение Холла на порядки выше, чем у металлов.

¶Устройство датчика

Конструктивно датчик Холла представляет собой кристалл полупроводника с четырьмя выводами: два подключаются к источнику питания (через них пропускается ток смещения), два — к выходу напряжения Холла. Кристалл заключён в корпус с защитной смолой или керамикой. В современных интегральных датчиках элементы обработки сигнала — усилитель, компаратор, схема температурной компенсации — интегрированы в тот же кристалл, поэтому наружу выдаётся уже готовый цифровой или аналоговый сигнал.

По типу выходного сигнала датчики делятся на:

• Аналоговые — выходное напряжение непрерывно изменяется пропорционально магнитной индукции. Используются для измерения величин.
• Цифровые (переключающие) — встроенный компаратор превращает аналоговый сигнал в дискретный: выход переключается при достижении порогового значения поля. Такие датчики работают как бесконтактные выключатели.
• Программируемые — пороговые значения и гистерезис задаются пользователем, часто с интерфейсом I²C или SPI.

¶Основные характеристики

¶Применение

Датчики Холла широко применяются в электротехнике и электронике:

• Измерение тока — бесконтактно, через измерение собственного магнитного поля проводника. Так устроены токовые клещи и датчики тока в силовой электронике.
• Датчики положения и скорости — фиксация зубьев шестерни или магнитных меток. Используются в системах зажигания автомобилей, ABS, электродвигателях для измерения углового положения ротора.
• Бесконтактные выключатели и клавиши — в промышленной автоматике, бытовой технике, мобильных телефонах (складные корпусы).
• Электронные компасы — MEMS-датчики Холла определяют компоненты магнитного поля Земли.
• Детекторы металла — поиск ферромагнитных предметов.

В России датчики Холла выпускают предприятия микроэлектроники; зарубежные аналоги производятся компаниями Allegro MicroSystems, Infineon Technologies, Texas Instruments, Melexis.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относятся бесконтактность, отсутствие подвижных частей, малые габариты, низкое энергопотребление и возможность интеграции в кристалл с электроникой. Ограничения связаны с тем, что датчик реагирует на любое магнитное поле, включая фоновое поле Земли и паразитные поля от соседних проводников, поэтому требуется экранирование или дифференциальные схемы включения. Точность аналоговых датчиков ограничена дрейфом нуля и температурными отклонениями.

Источники:

• Эффект Холла // Физическая энциклопедия
• Hall E. H. On a New Action of the Magnet on Electric Currents // American Journal of Mathematics, 1879, vol. 2, № 3
• Popović R. S. Hall Effect Devices. Bristol: IOP Publishing, 2003
• Датчики Холла: устройство и применение // РадиоЛоцман