Эффект Холла и датчики Холла: принципы работы и применение

В этом уроке мы изучим, что такое эффект Холла и как работают датчики Холла. Доступно видео и текстовая версия ниже.

Обзор

Эффект Холла — самый распространенный метод измерения магнитного поля. Датчики Холла широко применяются в современных системах: в автомобилях как датчики скорости колес, положение коленвала и распредвала, а также как выключатели, MEMS-компасы, датчики приближения и др. Рассмотрим их работу, но начнем с теории.

Что такое эффект Холла?

Эксперимент, объясняющий эффект: имеем тонкую проводящую пластину, через которую протекает ток. Заряженные частицы движутся прямолинейно от одного края к другому.

Приблизим магнитное поле — поток зарядов нарушится из-за силы Лоренца. Электроны отклонятся к одному краю пластины, дырочки — к другому. Если подключить вольтметр к другим двум краям, измерится напряжение.

Это явление — эффект Холла, открытый Эдвином Холлом в 1879 году.

Датчики Холла

Базовый холловский элемент выдает очень малое напряжение — всего несколько микровольт на гаусс, поэтому в датчики встраивают высокоусиленные усилители.

Существует два типа: с аналоговым и дискретным выходом. Аналоговый датчик содержит стабилизатор напряжения, холловский элемент и усилитель. Выходное напряжение пропорционально силе магнитного поля. Благодаря непрерывному линейному выходу они подходят для измерения расстояния.

Цифровые датчики выдают только два состояния: «ВКЛ» или «ВЫКЛ». В их схему добавлен триггер Шмитта, обеспечивающий гистерезис — два пороговых уровня, благодаря чему выход четко фиксируется в высоком или низком состоянии. Подробнее о триггере Шмитта — в отдельном уроке.

Пример — холловский выключатель. Применяются как концевые выключатели в 3D-принтерах, станках ЧПУ, для детектирования и позиционирования в промышленной автоматизации.

Другое применение — измерение скорости вращения/оборотов и определение положения коленвала/распредвала в двигателях. Датчик состоит из холловского элемента и постоянного магнита, установленных возле зубчатого диска на вращающемся валу.

Зазор между датчиком и зубами диска минимален. Каждый проходящий зуб меняет магнитное поле, переключая выход датчика в высокое или низкое состояние. На выходе получается прямоугольный сигнал, удобный для расчета оборотов вала.