Датчик Холла

Материал из Сайт русскоязычного фаблаб-сообщества
Перейти к: навигация, поиск
Датчик Холла

Датчик Холла - радиодеталь, реагирующая на магнитное поле по принципу "Эффекта Холла". Представляет собой топкую прямоугольную пластину (площадью несколько мм2) или плёнку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs), имеет 4 электрода для подвода тока и съёма эдс Холла. Чтобы избежать механических повреждений, пластинки Х. э. д. монтируют (а плёнку напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (слюды, керамики). Для получения наибольшего эффекта толщина пластины (плёнки) делается возможно меньшей. Датчик Холла применяют для бесконтактного измерения магнитных полей (от 10-6 до 105 э). При измерении слабых магнитных полей пользуются Датчик Холла, вмонтированным в зазоре ферро- или ферримагнитного стержня (концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Т. к. в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а следовательно, и коэффициент Холла) может зависеть от температуры, то в случае точных измерений необходимо либо термостатировать Датчик Холла, либо применять сильнолегированные полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).

Датчик Холла из нашего конструктора способен измерять магнитную индукцию в диапазоне от -0.1 до +0.1 Тл. Измеренный уровень магнитнйо индукции преобразуется в напряжение так, что нулевой индукции соответствует напряжение около 2,5 В, и оно изменяется примерно на 14 мВ на миллитеслу.

Содержание

Примеры схем на датчике Холла

Рисунок 1. Подключение датчика Холла

Вот так подключается датчик(Рисунок 1). Слева направо: плюс, минус, выход.

Рисунок 2. Подключение датчика Холла к вольтметру

Соединить выход с вольтметром из конструктора и манипулировать магнитом (Рисунок 2) - самый быстрый способ разобраться что значит "пропорционально напряженности магнитного поля перпендикулярно кристаллу". И вообще, тестирование вольтметром всего подряд - хорошая практика. Так можно сделать кучу открытий.

Рисунок 3. Подключение датчика Холла к светодиоду

Подключим светодиод с резистором 2200 Ом между выходом датчика и минусом источника питания(Рисунок 3). В отсутствие магнитного поля он загорится, насколько позволяют соответствующие нулю 2,5 вольта.

Рисунок 4. Датчик Холла и магнитная линейка

Изменение выходного напряжения при перемещении и повороте магнита позволяет использовать датчики Холла для точного определения расстояний и углов. Другой популярный способ применения: закрепить магнит и датчик, а между ними перемещать металлический предмет как экран, который частично блокирует магнитное поле. Датчик Холла игнорирует не намагниченный металл.

Собрав линейку из маленьких магнитов в шахматном порядке, можно определять скорость и дальность линейных перемещений (для определения направления понадобятся два датчика со сдвигом на пол-магнита). Если взять магнитики размером 2 мм (наименьшие из серийно выпускаемых) и 8-битный АЦП на выходе, можно достичь разрешения 4/256 = 1/64 мм = 16 мкм, что совсем неплохо. Правда, придется программно откалибровать показания датчика по микрометру, чтобы компенсировать неточность магнитов.(Рисунок 4)

Рисунок 5. Магнитное колесико

Если вы вытащите из шагового двигателя или купите колесико, намагниченное в шахматном порядке (можно также собрать "барабан" из маленьких магнитов), на том же принципе можно сделать прецизионный датчик угла поворота, который более чем уместен в самодельной робототехнике.(Рисунок 5)

Рисунок 6. Мигалка на основе датчика Холла

В этих конструкциях можно заменить магниты металлическими шторками или зубцами, которые загораживают или наоборот, проводят поле магнита, закрепленного на одной детали с датчиком.

Еще можно сделать такой пробник, чтобы при поднесении магнита южным полюсом загорался красный, а северным - синий светодиод. Создадим точку среднего напряжения (2,5 В) с помощью делителя из двух резисторов 4700 Ом. Через них будет постоянно идти ток утечки 5В/(4700 Ом * 2) = 0,53 мА, поэтому если нужен пробник на батарейке, то пусть он работает только в момент нажатия кнопки. А еще лучше кнопку заменить герконом, который срабатывает от магнита в любой полярности. тогда получится удобный и почти вечный пробник. Совсем вечный пробник должен уметь подзаряжаться от ваших манипуляций с магнитами вокруг него :)

Соединим среднюю точку с выходом датчика двумя противоположно включенными светодиодами. При поднесении южного полюса к датчику "со спины" напряжение на выходе достигнет 5 В и загорится светодиод, подключенный к выходу анодом. При поднесении северного - наоборот. Выглядит это так. Вообще-то оба полюса совершенно идентичны и только человеку пришло в голову назвать их северным и южным, единственое отличие - направление, куда отклоняется вблизи них проволочка с током (или ломящиеся сквозь полупроводник носители заряда).

Повесив датчик на координатный сервопривод можно составить график убывания напряженности поля по мере удаления от магнита. Автоматически изучать все магнитные свойства очередного образца изобретаемого вами суперматериала. Или даже составить двух- или трехмерную карту напряженности поля вокруг вашей уникальной электромагнитной системы. Чтобы поймать не одну, а две проекции поля, надо использовать два датчика, ну а для трех координат купите в ЧипеДипе еще датчик, либо повесьте эти два на вал шагового двигателя, поверните его на 90 градусов и отсканируйте повторно. "Лишняя" отсканированная координата послужит для совмещения обоих сканов магнитного поля.

Найдется место датчику Холла в роботах и помимо контроля перемещений - для анализа электромагнитных излучений (время реакции датчика - 3 микросекунды), например, для поиска проводки в стене - для несанкционированной подзарядки. Для изучения магнитной проницаемости найденных предметов. Для движения по магнитным меткам. И, конечно, для измерения магнитного поля в том месте, в котором оказался. А оказаться роботы могут в таких местах, куда Макар телят не гонял (следите за новостями нашего сайта!).

Поскольку напряжение на выходе датчика Холла пропорционально напряжению на входе и току (напряжению) на обмотке катушки, получается что на датчике Холла можно вычислить произведение напряжений. Так и делают в аналоговых вычислительных устройствах.

Можно использовать датчик и без АЦП - в режиме "да-нет" - в таких системах, как сенсор открытия дверцы или замурованный в стену секретный ключ, магически открываемый прикладыванием матрицы магнитов (замурованных в лежащий неподалеку осколок бетона).

Если вы более подробно разберетесь в эффекте Холла (ничего сложного там нет), то сможете использовать его для определения знака и концентрации носителей заряда в самодельных полупроводниках.

Эффект Холла

Эффект Холла

Эффект Холла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле B течёт электрический ток под действием напряжённости E. Магнитное поле будет отклонять носители заряда (для определённости электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом электрон не начнёт двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска и положительного возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1 не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Formula na Hall1.png

Скорость электронов v можно выразить через плотность тока:

Formula na Hall2.png

где n — концентрация носителей заряда. Тогда

Formula na Hall3.png

Коэффициент F45ac8f7435222aabfe9e1773104ecde.png пропорциональности между E1 и jB называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак RH, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Число свободных электронов в металле можно определить так. Если возле проводника по которому течет ток, находится магнит, отклоняющий электроны в сторону, то поперек проводника возникает т.н. холловская разность потенциалов. Она зависит только от скорости движения электронов. А сила тока зависит и от скорости, и от количества вовлеченных электронов. Поэтому зная ток и холловскую разность потенциалов мы можем найти число электронов.

Эдвин Герберт Холл

Эдвин Герберт Холл

Эдвин Герберт Холл (англ. Edwin Herbert Hall; 7 ноября 1855 — 20 ноября 1938) — американский физик, открывший «эффект Холла». Он проводил термоэлектрические исследования в Гарварде, где написал много учебников и прикладных методических материалов.

Биография

Холл родился в городе Горем, штате Мэн, США. В 1875 году закончил колледж Боудина (Брансуик). Высшее образование Холл получил в университете Джонса Хопкинса, где защитил докторскую диссертацию в 1880 году. Там же он проводил свои первые эксперименты.

Эффект, получивший впоследствии имя первооткрывателя, был открыт Эдвином Холлом в 1879 году, когда он работал над своей докторской диссертацией. Свой эксперимент Холл проводил на золотой пластинке, размещенной на стекле, при пропускании через которую электрического тока возникала разность потенциалов на боковых краях пластины (не обязательно золотой, использовались и полупроводниковые материалы). Разница потенциалов возникала вследствие приложения магнитного поля перпендикулярно к плоскости пластинки (холловского элемента). Отношение холловского напряжения к величине продольного тока, сегодня известное как «холловское сопротивление», характеризует материал, из которого изготовлен элемент Холла. В 1880 году эти эксперименты были опубликованы в качестве докторских тезисов в журналах «American Journal of Science», и «Philosophical Magazine».

Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты