Эффект Холла и его применение

Простым и выгодным способом изготовления контактов к датчикам Холла является непосредственное приваривание проводов к пластине при помощи пропускания импульса тока от соответствующего источника. Преимуществом этого метода является возможность получения симметричных холловских контактов после приваривания двух проводов токовых и одного холловского.

 

2.2 Возможности  применения датчиков Холла

 

Быстрое и разностороннее развитие применения датчиков Холла  явилось результатом тех многочисленных преимуществ, которыми обладают датчики  Холла; важнейшие из них следующие:

) датчик Холла  - в принципе статический элемент,  что, например, при выполнении  измерений магнитной индукции  даст ему преимущества перед  измерениями, проводимыми баллистическим  или индукционным методами;

) датчик Холла  есть направленный элемент, так как выходное напряжение пропорционально нормальной составляющей вектора магнитной индукции; это позволяет определять экстремальные значения и распределение магнитных полей в пространстве;

) датчик Холла  может быть сделан и подвижным  элементом; это преимущество в связи со сказанным в п. 2 позволяет построить, например, генератор синусоидальных колебаний инфранизких частот;

) малая площадь  поверхности (минимальные размеры  кристаллических датчиков Холла  0,7x0,7 мм2, а пленочных порядка 10x10 мкм2), позволяющая производить измерение в глубоких отверстиях малого диаметра;

) малая толщина  (у кристаллических датчиков Холла  вместе с корпусом - порядка 1 мм, а у пленочных вместе с подложкой  - порядка 0,1 мм), позволяющая выполнять  измерения в очень малых зазорах;

) линейная (в  больших диапазонах) зависимость  выходного напряжения от управляющих  величин (поля или тока);

) простая зависимость  выходного напряжения от произведения  двух входных величии;

) передача сигналов  без искажений;

) широкий частотный  диапазон передаваемых сигналов - теоретически от 0 до ~1012 гц;

) бесконтактная  (с помощью магнитного поля) передача  сигналов;

) возможность  применения управляющих полей  и токов постоянных, переменных  или импульсных и получения  соответствующего напряжения или  тока на выходе, что дает возможность детектировать, модулировать и затем получать на выходе сигналы соответствующей формы и мощности, т. е. преобразовывать сигналы;

) возможность  разнообразного соединения датчиков  Холла (последовательного и параллельного,  последовательного и встречного, входными и выходными цепями, гальванического или с помощью магнитного поля);

) относительно  простая и маломощная схема  электропитания (постоянным, переменным  или импульсным током);

) практически  неограниченный срок службы.

К числу главных недостатков относятся:

) относительно  сложная технология (однородность  материала, контакты);

) большой разброс  параметров в пределах одной  партии датчиков Холла, что  вынуждает определять характеристики  каждого датчика в отдельности  и усложняет взаимозаменяемость датчиков Холла;

) зависимость  сопротивления и коэффициента  Холла от температуры;

) зависимость  сопротивления и коэффициента  Холла от магнитного поля;

) наличие остаточного  напряжения, в том числе резистивного  и термического, а также напряжения, наводимого в выводах переменными полями;

) нестабильность  нуля, как следствие пп. 3.-5;

) отсутствие  общего заземления у входа  и выхода датчика Холла, что  затрудняет его совместную работу  с ламповыми (и транзисторными) схемами;

) малая величина -к. п. д.; этот недостаток существен лишь в некоторых случаях.

Недостатки  эти, однако, в достаточной для  практических решений степени можно  устранить соответствующим выбором  электрической схемы, систем компенсации  и т. п.

В конце 1964 г. можно  было назвать несколько десятков различных применений датчиков Холла во многих отраслях науки и техники.

Эти применения можно систематизировать по нескольким критериям, а именно:

. По характеру  непостоянства величины управляющего  тока  и магнитной индукции B:

) , а B - меняется, например, при изменении магнитного поля;

) B = const, а  - меняется , например, в гираторах;

) и B изменяются, например, при измерениях мощности и в множительных устройствах.

. По роду  B (постоянный, переменный):

 

1) ;

) ;

) ;

) или .

 

3. По относительному  положению датчика Холла относительно  источника магнитного поля:

) датчик Холла  неподвижен, например, в сердечнике  при измерении больших постоянных  токов;

) положение  датчика Холла можно менять  произвольным способом, например, при измерениях магнитного поля;

) датчик Холла  вращается в магнитном поле  либо источник поля (постоянный  магнит) вращается вокруг датчика  Холла, например, в генераторах  низкочастотных колебаний;

) датчик Холла  или источник магнитного поля  двигается вдоль «прямой линии, например, в измерителях перемещений;

) датчик Холла  или источник поля колеблются, например, при измерениях вибраций (виброускорений).

. В соответствии  с конкретными применениями, как,  например:

) измерение  магнитных величин;

) измерение  электрических величин;

) измерение  неэлектрических величин и т.п.[3]

 

2.3 Применение  датчиков Холла

 

Датчики Холла  являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного  или углового перемещения, датчики  магнитного поля, датчики тока, датчики  расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Интегральные датчики Холла производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices и др.

Первая группа интегральных датчиков Холла - это линейные устройства, применяющиеся в измерителях  напряжённости магнитного поля. Как  правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель (рисунок 4).

 

Рисунок 4 - Внутренняя схема ИМС линейного датчика  Холла (а) и график его характеристики преобразования (б)

 

Вторая группа включает в себя микросхемы компараторного типа с логическими уровнями напряжения на выходе. Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом (рисунок 5а) делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния (рисунок 5б). Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включённое состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком (рисунок 5в). Наличие ступени гистерезиса, которая является разностью между величинами магнитного поля в точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства.

 

Рисунок 5 - Логический датчик Холла

 

Ниже рассматриваются  некоторые наиболее популярные применения интегральных датчиков Холла. Перечень возможных применений этих датчиков далеко не ограничивается примерами, представленными ниже.

Линейные датчики  Холла:

датчики тока;

приводы переменной частоты вращения;

схемы управления и защиты электродвигателей;

датчики положения;

датчики расхода;

бесколлекторные двигатели постоянного тока;

бесконтактные потенциометры;

датчики угла поворота;

детекторы ферромагнитных тел;

датчики вибрации;

тахометры.

Логические  датчики Холла:

датчики частоты  вращения;

устройства  синхронизации;

датчики систем зажигания автомобилей;

датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм);

счётчики импульсов (принтеры,электроприводы);

датчики положения  клапанов;

блокировка  дверей;

бесколлекторные двигатели постоянного тока;

измерители  расхода;

бесконтактные реле;

детекторы приближения;

считыватели магнитных  карточек или ключей;

датчики бумаги (в принтерах).

 

2.3.1 Датчики  тока

Линейные датчики  Холла могут быть использованы в  составе измерителей силы тока в  пределах от 250 мА до тысяч ампер. Важнейшим достоинством таких датчиков является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью. Линейные датчики позволяют измерять постоянные и переменные токи, в том числе токи довольно высокой частоты. Если линейный датчик Холла расположен вблизи проводника с током, то выходное напряжение датчика пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна току. В простейшем случае датчик тока представляет собой конструкцию, в которой датчик Холла устанавливается около провода, по которому течёт измеряемый ток (рисунок 6а).

 

Рисунок 6 - Конструкции  датчиков тока

 

Такие датчики  используются для измерения больших  токов, особенно в линиях электропередач. Индукция В определяется по формуле:

 

 

где r - расстояние от центра чувствительной области датчика  до оси симметрии проводника в  метрах. Чувствительность датчика тока может быть значительно увеличена  путём использования концентратора  магнитного потока в виде магнитопровода с прорезью, в которую помещается линейный датчик Холла (рисунок 6б). В этом случае индукция магнитного потока через датчик

 

 

2.3.2 Расходомер

Существуют  различные методы измерения расхода  с использованием цифровых датчиков Холла, но принцип у них, как правило, общий: каждое изменение магнитного потока через датчик соответствует некоторой порции жидкости или газа, прошедшей через трубопровод. В примере, показанном на рисунке 7, магнитное поле создаётся постоянными магнитами, установленными на лопастях рабочего колеса.

холл  эффект датчик расходомер

Рисунок 7 - Датчик расхода

 

Рабочее колесо вращается потоком воды. Датчик выдаёт два импульса за оборот колеса. [4]

 

Заключение

 

Теория эффекта Холла  достаточно разработана и даже обобщена на случай зонной структуры твердого тела, и вплоть до 1980 года казалось, что никаких открытий в этой области физики твердого тела не предвидится. Однако в 1980 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг с соавторами (Klaus von Klitzing, G.Dorda, M.Pepper), измеряя Э.Д.С. Холла и магнитосопротивление в поперечном магнитном поле в гетероструктурах, обнаружили, что в сильных полях (~5-10 Тл) холловская проводимость квантуется. Открытый эффект назвали целым квантовым эффектом Холла (аббревиатура IQHE - Integer Quantum Hall Effect), а Клаусу фон Клитцингу с соавторами в 1985 году была присуждена Нобелевская премия.

В 1983 году Р.Лафлин предположил, что электроны в двумерном  слое вследствие сильного кулоновского отталкивания образуют несжимаемую  квантовую жидкость - жидкость Лафлина, которая оказалась новым, не известным ранее, квантовым состоянием двумерной взаимодействующей системы. Она несжимаема и имеет энергетическую щель D в спектре возбуждений (по оценкам, D ~4-5K, что вполне соответствует эксперименту). За это открытие в 1998 году Лафлину, Штермеру и Тсуи была вручена нобелевская премия по физике.

В настоящее время проблема двумерной электронной жидкости по прежнему актуальна в современной  физики.

 

Список литературы

 

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла

. Рембеза С.И., Каргин Н.И. Физика твердого тела. Оптические, диэлектрические и магнитные свойства твердых тел: Курс лекций. Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2003. Ч. III.

. А. Кобус, Я. Тушинский  Датчики Холла и магниторезисторы. Пер. с польск. В.И. Тихонова  и К. Б. Макидонской, под ред. О.К. Хомерики, М., «Энергия», 1971.

4 Георгий Волович Интегральные  датчики Холла. Современная электроника,  СТА-ПРЕСС Декабрь 2004.