Fórum

Hallov senzor - princíp, funkcia a použitie

Hallov senzor - princíp, funkcia a použitie
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  793 zobrazení
3
 0
Komponenty

Hallove senzory sú integrované obvody, ktoré detekujú prítomnosť magnetického poľa. Toto pole je vyjadrené vo forme sily magnetického poľa B a je to práve táto sila poľa, ktorá generuje malé napätie v citlivom prvku, Hallovom generátore.

Tri typy Hallových senzorov

Efekt uvedený v úvode tohto článku je možné previesť na prakticky použiteľný obvod tromi spôsobmi:

  • Hallove snímače s lineárnym výstupom.
  • Hallove snímače so spínacím výstupom.
  • Hallove snímače s prerušovačom.

Hallove snímače s lineárnym výstupom
Prepočet sily magnetického poľa na jednosmerné napätie je dosť lineárny a je tak možné navrhnúť obvody, ktoré prevádzajú absolútnu veľkosť sily magnetického poľa na proporcionálne napätie. Takéto snímače sa často používajú na bezdotykové meranie veľkosti jednosmerného prúdu pretekajúceho vodičom.

Hallove snímače so spínacím výstupom
Väčšina Hallových senzorov je však navrhnutá interne ako spínače. Po zosilnení sa Hallovo napätie predloží komparátoru alebo Schmittovmu spúšťaču. Výstup bude reagovať, iba ak Hallovo napätie a tým aj sila magnetického poľa prekročí určitú hodnotu. Takéto integrované obvody sa používajú na bezkontaktnú registráciu javov.
Ak nastavíte spínací snímač do magnetického poľa permanentného magnetu a prerušíte toto pole uzáverom vyrobeným z magnetického absorpčného kovu, napríklad z mäkkého železa, bude snímač generovať výstupné napätie, ak sa uzáver alebo istič nenachádzajú medzi magnetom a snímačom. Ak sa uzávierka presunie do polohy medzi magnetom a snímačom, nebude generovať žiadne výstupné napätie. Týmto spôsobom môžete počítať objekty, vypočítať obvodovú rýchlosť kolies atď.

Hallove snímače s prerušovačom
K dispozícii je množstvo integrovaných magnetických snímačov, v ktorých je permanentný magnet zodpovedný za vytváranie sily magnetického poľa umiestnený v puzdre snímača. Vo väčšine prípadov sú tieto obvody umiestnené v vidlicovitom puzdre s magnetom v jednom zube a Hallovým obvodom v druhom. V medzere medzi dvoma zubami sa uzávierka alebo prerušovač z mäkkej železa môžu pohybovať tam a späť.

Tok magnetických veličín a intenzita poľa

Asi viete, čo je elektrické napätie a elektrický prúd. Základné množstvá magnetizmu sú však oveľa menej známe. Krátke vysvetlenie je preto na mieste. Základnou veličinou všetkých magnetických javov je magnetický tok alebo prúd Φ (grécke písmeno phi), vyjadrený vo weberoch - Wb alebo voltoch sekúnd - Vs.
Magnetický tok je definovaný nasledovne. Predpokladajme, že jedna otáčka vodivého drôtu je aplikovaná v magnetickom poli. Ak sa magnetický tok tohto poľa mení rovnomerne v priebehu jednej jednotky za jednu sekundu, bude vo vinutí indukované napätie 1 V.
Z tejto definície bezprostredne vyplýva vzorec:

1 Wb = 1 V x 1 s

Intenzita magnetického poľa B je definovaná ako hustota magnetického toku. Normalizovanou jednotkou pre intenzitu poľa je Tesla - T. Intenzita magnetického poľa je definovaná nasledovne. Intenzita magnetického poľa sa rovná 1 T, keď rovnomerný magnetický tok 1 Wb dopadá kolmo na povrch 1 m².
Z tejto definície vyplýva vzorec pre výpočet magnetickej indukcie:

B = Φ / A

Teraz môžete ľahko definovať jednotku Tesla:

1 T = 1 Wb / m² = 1 Vs / m²

Intenzita magnetického poľa sa zvykne vyjadrovať v Gauss - G, kde vzťah je:

1 G = 0,1 mT

Fyzická prevádzka Hallovho generátora

Intenzita magnetického poľa generuje jednosmerné napätie
Všetky integrované obvody magnetického snímača pracujú s Hallovým generátorom ako základňou. Hallov generátor je komponent, ktorý generuje jednosmerné napätie, ktorého veľkosť závisí od sily sily magnetického poľa dopadajúceho na komponent.
Základná štruktúra Hallovho generátora je znázornená na obrázku nižšie. Tenká fólia je vyrobená z polovodiča, vo väčšine prípadov je to zlúčenina s indiom. Na dvoch protiľahlých stranách sú nanesené široké kontaktné lišty 1 a 2. Malé kontaktné body 3 a 4 sú namontované na ďalších dvoch stranách. Pásy 1 a 2 sú zahrnuté v obvode, ktorý vysiela cez fóliu konštantný prúd Icte. Tento súčasný Icte spôsobuje migráciu elektrónov z 2 na 1 v polovodičovej fólii.
Bez vonkajšieho magnetického poľa sledujú tieto elektróny najkratšiu cestu cez fóliu a platňa je elektricky v rovnováhe.

Princíp Hallovho generátora.

Ak však aplikujete magnetické pole B kolmo na senzor, elektróny sa odrazia v dôsledku Lorentzovej sily na ich ceste medzi pásmi 2 a 1. V závislosti od smeru magnetického poľa elektróny prejdú do kontaktného bodu 3 alebo odklonené ku kontaktnému bodu 4. Výsledkom je, že cez dosku sa vytvára elektrické pole, ktoré vytvára malé priame napätie Uh medzi bodmi 3 a 4. Toto napätie Uh sa nazýva "Hallovo napätie" a veľkosť tohto napätia je úmerná sile elektrického poľa v polovodičovej fólii. Pretože toto pole zase závisí od sily magnetického poľa, môžete usúdiť, že veľkosť Hallovho napätia je priamo úmerná veľkosti sily magnetického poľa B dopadajúcho kolmo na senzor.
Veľkosť Hallovho napätia je daná výrazom:

Uh = [Rh / d] x Icte x B

v ktorom:

  • d - je hrúbka fólie.
  • Icte - je veľkosť konštantného prúdu.
  • B - je sila sily magnetického poľa.
  • Rh - je materiálna konštanta.

Hallova konštanta Rh
Táto konštanta závisí nielen od typu polovodiča, z ktorého je fólia vyrobená, ale aj od teploty. Na nasledujúcom obrázku je znázornená zmena hodnoty tejto konštanty ako funkcia teploty pre množstvo použiteľných polovodičov.

Priebeh Rh v závislosti na teplote.

Normalizované Hallove napätie
Hallove napätie Uh samozrejme nezávisí len od veľkosti sily magnetického poľa B, ale aj od veľkosti aktuálneho Icte. Na stanovenie jednoznačného vzťahu medzi napätím a intenzitou poľa sa často používa takzvané "Normalizované Hallovo napätie". Toto je veličina, ktorá sa vypočíta vydelením efektívneho Hallovho napätia prúdom Icte a vynesením tejto pomocnej veličiny proti sile poľa. Na obrázku nižšie je toto normalizované Hallove napätie (vyjadrené vo V / A) vynesené ako funkcia sily magnetického poľa (vyjadrené v Tesla) pre rôzne hodnoty odporu záťaže Rs, ktoré sú paralelne zapojené cez Hallov generátor. Pri tomto grafe treba poznamenať, že hodnoty  intenzity poľa sú rádovo v desatinách Tesly a v praxi nebudú vyskytovať veľmi často! Praktické hodnoty sú skôr rádovo niekoľko desiatok mT.

Normalizované Hallovo napätie.

Symbol Hallovho generátora
Nasledujúci obrázok zobrazuje viac alebo menej štandardizovaný symbol Hallovho generátora. Toto je samozrejme tiež symbol Hallovho snímača. Elektrické pripojenie Icte sa často nahrádza pripojením napájacieho zdroja + Ub. V senzore je potom integrovaný zdroj energie.

Symbol Hallovho generátora / snímača.

Praktické verzie Hallových generátorov
Polovodičový film tvoriaci Hallov generátor môže byť vyrobený v rôznych geometrických tvaroch. Na obrázku nižšie sú načrtnuté tri často sa vyskytujúce verzie. Dizajn v tvare "kríža" sa vyznačuje vysokou citlivosťou, zatiaľ čo "pravouhlý" vytvára vysoké Hallovo napätie. Hallov generátor v tvare "motýľa" sa používa hlavne na meranie intenzívnych, ale úzko smerovaných lúčov magnetických polí.

Rôzne tvary Hallovho senzora.

Výroba fólie

Fólia sa vyrába jednou z nasledujúcich technológií:

  • Kryštalicky - Fólia je vyrobená z polovodičového kryštálu mechanickými operáciami, s možnými hrúbkami od 5 μm do 100 μm.
  • Odparovaním - Polovodičová vrstva s hrúbkou 2 μm až 3 μm sa odparí na nosiči. Tieto Hallove generátory sú ideálne pre aplikácie pri extrémne vysokých alebo nízkych teplotách.
  • Epitaxne - Polovodičová vrstva je vytvorená zo substrátu chemickými technikami známymi z bežnej polovodičovej technológie, čím je dosiahnuteľná hrúbka vrstvy približne 10 μm.
  • Iontová implantácia - V poloizolačnej základni z polovodičového materiálu sú ióny implantované tepelným spôsobom, čím sa vytvorí polovodičová vrstva v hornom tenkom obale základného materiálu. Túto techniku ​​je možné použiť až do hrúbky aktívnej vrstvy približne 0.4 μm.

Typy Hallových senzorov

Hallove snímače so spínacím výstupom
Základné schéma Halovho senzora s magnetickým prepínaním je znázornené na obrázku nižšie. Konštantný prúd Icte je odvodený z napájacieho napätia pomocou referenčného zdroja Uref, diódy a tranzistora. Tento prúd je vysielaný Hallovým generátorom. Hallovo napätie je zosilnené v diferenciálnom zosilňovači a zosilnené napätie je dodávané do Schmittovho spúšťača. Tento obvod má hysteréziu, čo znamená, že výstupné napätie spúšťača nezávisí iba od okamžitej veľkosti vstupného napätia a teda aj od sily magnetického poľa, ale aj od poklesu alebo nárastu tohto napätia alebo intenzity magnetického poľa.

Principiálna schéma.

Prenosová charakteristika Schmittovho spúšťača je znázornená na obrázku nižšie. Predpokladajme, že intenzita magnetického poľa B dopadajúca na Hallov senzor je väčšia ako určitá prahová hodnota B + (východiskový bod). Výstupné napätie Schmittovho spúšťača je potom nízke (Uol). Ďalej predpokladajme, že intenzita poľa pomaly klesá. Výstup zostáva nízky, kým intenzita poľa neklesne pod druhú prahovú hodnotu B -. V tom okamihu sa obvod prevráti a výstup sa zvýši (Uoh).
Ak potom znova zvýšite indukčnosť, výstupné napätie zostane vysoké, kým intenzita poľa opäť nestúpne nad hornú prahovú hodnotu B +. Rozdiel medzi dvoma prahmi B - a B + sa nazýva hysterézia Schmittovho spúšťača. Táto vlastnosť zaisťuje, že v rozsahu intenzity poľa existujú dva odlišné body obratu, na ktoré obvod jednoznačne reaguje. Malé kolísanie intenzity poľa okolo prahových hodnôt nemá vplyv na výstupné napätie obvodu.
Schmittov spúšť je ukončený jedným alebo dvoma rovnakými výstupnými stupňami podľa štruktúry otvoreného kolektora. Medzi napájacím napätím a výstupom integrovaného obvodu musíte externe použiť záťažový rezistor. Toto ustanovenie o otvorenom kolektore má výhodu v tom, že výstupy rôznych senzorov môžete zahrnúť do matrice pomocou rezistorov a diód, takže je možné okolo výstupov zhromažďovať jednoduché dekódovania bez ďalších integrovaných obvodov.