admin / 02.07.2018

Датчик холла

Что это за датчик?

Датчик Холла — датчик определения положения который основан на эффекте Эдвина Холла. Используется в смартфоне в роли магнитометра, как основа для работы электронного компаса и не только. Его задача — фиксировать наличие магнитного поля и определять его изменение.

Эффект Холла был открыт еще 1879 году в тонких пластинках золота, но использовать его в технике смогли только через 75 лет, когда наладили производство полупроводниковых пленок с нужными для него свойствами. Ему нашли применение в автомобилях — он помогал делать измерения угла положения распредвала/коленвала.

В смартфоне используется упрощенный аналог устройства, определяющий только наличие магнитного поля без определения напряженности по осям. Реализация довольно проста: помещенный в магнитное поле проводник, по которому проходит электрических ток, способствует тому, что электроны отклоняются к одной из граней пластины. Электроны в этой части накапливают отрицательный заряд, на противоположной грани — положительный. Процесс продолжается до момента, пока образовавшееся электрическое поле не компенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. Образованная разность потенциалов (которую именуют холловским напряжением) на краях пластины фиксируется датчиком Холла. В телефоне он реализован микросхемой, на выходе которой создается сигнал в двух состояниях:

  • единица (1 — есть сигнал);
  • ноль (0 — сигнала нет).

В зависимости от считанной информации с датчика смартфон выполняет запрограммированное действие.

Сейчас этот эффект применяется в разных технических реализациях. Кроме современных телефонов, повседневное применение нашлось:

  • в системах электронного зажигания ДВС;
  • в приводах дисководов;
  • двигателях кулеров компьютерной техники;
  • в электроизмерительных приборах для реализации бесконтактного измерения силы тока;
  • в ионных реактивных двигателях.

Для чего он нужен в телефоне?

Несколько лет назад, магнитометр с дюжиной возможностей можно было встретить только во флагманских смартфонах. Сейчас же, он установлен практически в каждый телефон. Смартфон, укомплектованный магнитометром (работающим по принципу датчика Холла) позволял измерять величину электромагнитной индукции различных приборов, управлять бесконтактно некоторыми функциями телефона (например листание фотографий с помощью жестов, без физического контакта) и т.д.

Хотя магнитометр и установлен во множество мобильных устройств, не в каждом его функции реализованы на полную.

Делается это по техническим (например, не хватает места в конструкции телефона или для уменьшения энергопотребления) и финансовым (в бюджетных моделях) причинам. Если убрать все дополнительные функции, задача упомянутого сенсора сводится к двум основным функциям:

  1. Цифровой компас. Используется навигационными программами для ускорения позиционирования и более точного определения направления движения. При помощи датчика, GPS поиск происходит быстрее.
  2. Взаимодействие с аксессуарами. Приобретя магнитный чехол для смартфона, датчик позволит смартфону включать и отключать дисплей в зависимости от удаления/приближения магнита на аксессуаре.

Эффект «выключения дисплея» можно заметить при закрытой крышке в раскладных телефонах.

Что такое датчик Холла в смартфоне и зачем он нужен?

Для осуществления правильной работы современных мобильных телефонов применяют различные функциональные блоки и датчики информирования. На их основе системы, высшие по иерархии, принимают решения о тех или иных действиях. Сегодня речь пойдёт об измерительном элементе, определяющем наличие магнитного поля, его интенсивность и изменение.

Выдающийся физик Эдвин Холл в США в конце XIX века открыл явление искривления пути носителей заряда в полупроводниках, пребывающих в магнитном поле. «Эффект» Холла обладает большими возможностями. С его помощью отслеживается ориентация экрана в пространстве, измеряется магнитная полярность в ракетных двигателях. Датчики отлично работают в бесконтактных выключателях и определителях уровня жидкости.

Для измерения напряжения магнитного поля используют 2 типа устройств: аналоговые и цифровые датчики. У первого вида индукция поля преобразуется в напряжение, где величина зависит от силы и полярности. У второго – при смене полярности и снижении индукции датчик отключает сенсорный экран.

Своё главное применение миниатюрный датчик нашёл в цифровых гаджетах для улучшения их позиционирования, в обеспечении быстрого старта GPS-навигатора. Отличительной особенностью данного устройства является разносторонняя направленность действия:

  • С его помощью изменяется величина магнитного потока;
  • Реализовывается бесконтактное управление при помощи жестов;
  • Автоматически корректируется яркость экрана на изменение освещенности;
  • Сменяется ориентация изображения на дисплее при соответственном повороте гаджета, манипуляции в играх и других приложениях;
  • Определяется точное направление.

Конечно, это далеко не весь перечень положительных характеристик, присущих этому датчику.

Зачем датчик Холла нужен в смартфоне?

Сенсор, как высокочувствительная часть вещателя, располагается непосредственно под крышкой смартфона или планшета, что позволяет быстро реагировать на любые изменения в пространстве. За счёт работы датчика экономится заряд аккумулятора, улучшается взаимодействие телефона с магнитным чехлом и различными аксессуарами.

В телефонах типа «раскладушки» также используют датчики Холла. С их наличием упрощается работа по включению/выключению экрана во время открывания или закрывания защитной крышки. Аналогичное действие происходит у смартфона с магнитным чехлом, где сенсор молниеносно реагирует на изменения (приближения/удаления) магнитного поля на флипе и регистрирует его. Во время интенсивного излучения дисплей блокируется, при снижении – происходит его активация. При этом сам магнит, вмонтированный в флип чехла, нисколько не вредит смартфону.

Особенно эффект Холла характерен в чехлах с окошком в верхней части, где часть экрана остаётся открытой. В этом случае имеется возможность использовать отдельные функции (звонок, пропущенные вызовы, часы, проигрыватель), не открывая флипа. Магнитоэлектрическое устройство самостоятельно определит, оставить активным весь дисплей или частично. Аналогичным образом работает гаджет при использовании чехлов без «окошек».

При приобретении нового смартфона определить наличие или отсутствие датчика Холла можно самостоятельно. Стоит отметить, что не все производители указывают его присутствие, поэтому нужно внимательно изучить краткий перечень характеристик. Устройство находят и другим методом, проанализировав чехлы к своему мобильному устройству. Например, на обложке Smart Case к смартфону или планшету на 100% имеется установленный датчик Холла. По аналогии проводится анализ других чехлов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Интегральные датчики Холла компании Honeywell

Эффект Холла в классическом понимании был открыт еще в 1879 году Эдвином Холлом. Данный эффект заключается в формировании поперечной разности потенциалов в проводнике с током, помещенном в магнитное поле. Однако практическое применение данный эффект нашел сравнительно недавно — примерно 30 лет назад, когда стали доступными полупроводниковые технологии, позволившие создать недорогие и практичные твердотельные датчики. Такие датчики широко используются в системах, где возможно преобразование контролируемой величины в изменение магнитного поля, которое впоследствии легко проконтролировать датчиком Холла. К числу таких величин относятся переменный/постоянный ток или напряжение, давление, температура, скорость, вибрация и др. Кроме того, эффект Холла идеален для построения разнообразных датчиков положения, которые находят обширное применение в системах автоматики; в технике бытового, коммерческого, медицинского, научного и промышленного назначений; на транспорте и в современных приводах. В настоящий момент индустрия таких датчиков переживает расцвет, а компания Honeywell, крупнейший в мире производитель датчиков, активно продвигает на рынок изделия указанных типов.

Ассортимент «холловских» датчиков Honeywell в основном представлен интегральными приборами в корпусах для поверхностного или сквозного монтажа. В общем случае такие датчики представляют собой трехвыводной прибор с двумя выводами питания и одним аналоговым или цифровым выходом. Их ассортимент и краткие рабочие характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Ассортимент датчиков Холла компании Honeywell

Наименование Передаточная функция Напряжение
питания, В
Потребляемый ток, мА
(не более)
Направление
выходного тока
Корпус Рабочий
температурный диапазон, °C
SS30AT1) SS40A SS50AT Цифровая биполярная 4,5…24 10 втекающий SOT-23 SIP-3 SOT-89B -40…125
SS311PT SS411P Цифровая биполярная 2,7…7 14 втекающий SOT-23 SIP-3 -40…150
Серия SS340RT Серия SS440R Цифровая униполярная 3…242) 3…24 8 втекающий SOT-23 SIP-3 -40…150
SS351AT SS451A Цифровая всеполярная 3…242) 3…24 9 втекающий SOT-23 SIP-3 -40…150
SS361RT SS461R Цифровая истинная биполярная 3…182) 3…18 8 втекающий SOT-23 SIP-3 -40…150
Серия SS400 Серия SS500 Цифровая униполяроная, биполярная или истинная биполярная 3,8…30 10 8,7 (5 В) втекающий SIP-3 SOT-89 -40…150
Серия SS41 Серия SS51T Цифровая биполярная 4,5…24 15 втекающий SIP-3 SOT-89 -40…150
Серия SS421 Цифровая биполярная 4,5…16 15 втекающий SIP-4 -40…105
SS42R Цифровая истинная биполярная (симметричная) 4,5…16 11 втекающий или вытекающий SIP-4 0…100
SS46 Цифровая истинная биполярная (симметричная) 4,5…24 10 втекающий SIP-3 -40…150
VF526DT Цифровая истинная биполярная (2 канала) 3,4…24 14 втекающий (2 канала) SOT-89 -40…125
Серия 9
1SS
Линейная 8…16 19 вытекающий Керамич. SIP-3, керамич. с ламелями -40…150
Серия SS490 Серия SS491B Линейная 4,5…10,5 10 втекающий или вытекающий SIP-3 -40…150
Серия SS49E Серия SS59ET Линейная 2,7…6,5 10 вытекающий SIP-3 SOT-89 -40…100
Серия SS94 Линейная 4,5…12,6 30 втекающий или вытекающий Керамич. SIP-3, керамич. с ламелями -40…150
Примечания: 1. Красным цветом выделены новики 2009 года. 2. Исключение: при работе с температурами более 125°С диапазон напряжения питания ограничен до 3…12 В.

Датчики доступны в корпусах трех типов, в т.ч. SOT-23, SOT-89 (для поверхностного монтажа) и SIP (для сквозного монтажа), который также можно назвать плоской версией популярного корпуса TO-92 (см. рисунок 1).

Рис. 1. Корпуса датчиков Холла компании Honeywell

В зависимости от вида передаточной функции (ПФ) датчики разделяются на линейные и цифровые (см. рисунок 2). Как видно из рисунка, цифровые датчики работают как управляемые магнитным полем коммутаторы, которые активизируют свой выход при одном его уровне и отключают при другом. Отсюда происходит их альтернативное наименование — магнитоуправляемые коммутаторы. В зависимости от знака пороговых уровней, цифровые ПФ разделяются на униполярную, биполярную и всеполярную. Униполярные датчики реагируют на магнитное поле определенного знака (положительное или отрицательное), поэтому в конечном применении они требуют определенной ориентации полюсов магнита.

Рис. 2. Передаточные функции датчиков Холла

Данная особенность вызывает некоторые неудобства при сборке или установке датчиков, и в связи с этим были разработаны всеполярные датчики, которые равным образом реагируют на приближение северного и южного полюсов магнита, и поэтому некритичны к их ориентации. Необходимо отметить, что представленные на рисунке 2 цифровые ПФ для простоты восприятия имеют идеализированный вид. Фактические пороги включения и отключения могут варьироваться в зависимости от температуры, а также от одного датчика к другому. Эту особенность важно учитывать при выборе биполярных датчиков. Идеальный биполярный датчик, как показано на рисунке 2, реагирует на смену знака магнитного поля, активизируясь при положительном знаке и отключаясь при отрицательном. Однако в реальности, ввиду возможного разброса порогов включения/отключения в достаточно широких пределах, вероятно смещение ПФ вдоль оси абсцисс. Проще говоря, среди приобретенных биполярных датчиков некоторое количество на практике может оказаться униполярными, причем реагирующими либо на положительное магнитное поле, либо на отрицательное. Однако в ассортименте Honeywell есть датчики и с гарантированной биполярностью передаточной функции. В таблице 1 передаточные функции таких датчиков отмечены как «истинная биполярная». Кроме того, в таблице отмечена часть истинных биполярных датчиков, для которых гарантируется симметричность ПФ относительно оси ординат.

Помимо ПФ, датчики также различаются схемотехникой выходного каскада. Она может быть однотактной (выходной ток может протекать только в одном из направлений) и двухтактной (выходной ток может протекать в любом из направлений). Выходной каскад большинства цифровых датчиков выполнен по схемотехнике с открытым коллектором, при которой допускается протекание только втекающего тока (т.е. нагрузка управляется по отношению к плюсу питания). Исключения: SS311PT, SS411P со встроенным подтягивающим резистором к плюсу питания и SS42R с двумя двухтактными комплементарными выходами. Также необходимо отметить, что под активным состоянием выхода цифрового датчика (ВКЛ согласно рисунку 2) понимается нахождение выхода в низком состоянии. Исключением является упомянутый только что четырехвыводной датчик SS42R, у которого имеется дополнительный выход с активным высоким уровнем.

В представленном ассортименте имеются несколько датчиков с повышенной степенью интеграции. Речь идет о биполярных датчиках SS421 и VF526DT. Датчики серии SS421 предназначены для обнаружения недопустимого снижения частоты вращения двигателя или вентилятора. Они активизируют свой выход, когда частота следования импульсов на выходе встроенного цифрового датчика Холла становится ниже порогового уровня. Порог и задержка срабатывания задаются путем подключения к специальному выводу RC-цепи с соответствующими параметрами. В свою очередь, VF526DT объединяет два независимых датчика Холла и логику обнаружения направления движения. Таким образом, пользователю, помимо импульсного выхода SPEED, также доступен выход DIRECTION, сигнализирующий о текущем направлении движения.

Многие представленные в таблице 1 датчики являются новинками 2009 года (выделены красным цветом). Новые датчики обладают множеством особенностей, позволяющих снизить себестоимость конечной продукции, а также улучшить ее надежность и экономичность. К источникам снижения себестоимости новых датчиков можно отнести следующие:

  • доступность датчиков в более компактных корпусах SOT-23, упакованных в ленту на бобину (более низкая стоимость самого корпуса, возможность снижения размеров платы, более дешевая технология монтажа);
  • доступность датчиков с повышенной чувствительностью (возможность применения более дешевых магнитных материалов и более компактной магнитной системы);
  • встроенная защита от подачи питания неверной полярности исключает необходимость ее внешней реализации;
  • расширение нижней границы напряжения питания до 3 и даже 2,7В, что обеспечивает простоту применения датчиков в низковольтных системах;
  • появление всеполярных датчиков (SS351AT, SS451A), которые по сравнению с униполярными датчиками некритичны к ориентации полюсов магнита, что потенциально дает возможность уменьшить затраты на сборку (или монтаж) датчика;
  • доступность датчиков со встроенным на выходе резистором, подтягивающим к плюсу питания (SS311PT, SS411P), что позволяет уменьшить затраты на приобретение и монтаж внешнего резистора в тех применениях, где необходима его установка для формирования уровня логической единицы.

Новые датчики также доступны в традиционном корпусном исполнении SIP, что дает возможность модернизации выпускаемой продукции путем прямой замены на более совершенный аналог с множеством конкурентных преимуществ. Помимо всеполярной ПФ, возможности низковольтного питания, улучшенной экономичности и более высокой чувствительности, к числу таких преимуществ также относится улучшенная температурная стабильность, которая проявляется в несущественной зависимости порогов срабатывания и их симметричности от температуры в пределах широкого диапазона (-40…125/150°С). Убедиться в этом можно на примере графиков зависимости порогов срабатывания от температуры датчиков SS451A и SS351AT, представленных на рисунке 3.

Рис. 3. Графики зависимости порогов срабатывания от температуры датчиков SS451A и SS351AT

Рассмотренные датчики Холла идеальны для построения импульсных датчиков скорости и дискретных датчиков положения в разнообразных устройствах бытового и промышленного назначения, в т.ч. в устройствах с функцией контроля частоты вращения электродвигателя и контроля концевых положений элементов исполнительных механизмов, в системах автоматизации поточных линий, в робототехнике и т.д. На основе цифровых датчиков Холла также возможна реализация различного рода реле, реагирующих на изменение физической величины, например, давления, расхода, электрического тока, температуры и т.п. Пример такого реле демонстрирует рисунок 4а, где упрощенно представлена конструкция токового реле, предназначенного для сигнализации о токовой перегрузке или о наличии тока в цепи. На этом рисунке также представлены некоторые другие варианты применения цифровых датчиков Холла, в т.ч. датчик уровня поплавкового типа (рис. 4б); кнопка для сложных условий применения, таких как повышенный уровень влаги и пыли, взрывоопасность и др. (рис. 4в); импульсный датчик расходомера, где вращение крыльчатки преобразуется в последовательность импульсов, количество которых пропорционально объему прокачанной по трубе жидкости.

Рис. 4. Примеры областей применения цифровых датчиков Холла

Компания Honeywell также выпускает ряд линейных датчиков Холла (замыкают таблицу 1), которые прекрасно подходят для реализации разнообразных устройств, в т.ч. датчиков тока, вибрации, уровня и положения, считывателей магнитных карт, металл-детекторов и весов. Выходной каскад линейных датчиков Honeywell выполнен по ратиометрической архитектуре, что упрощает их применение за счет исключения необходимости применения прецизионного ИОН. Это означает, что у этих датчиков напряжение V(0) равно половине напряжения питания. Кроме того, датчики способны измерять как положительные, так и отрицательные значения магнитной индукции. Выпускается множество исполнений датчиков, различающихся входным диапазоном и степенью прецизионности передаточной характеристики. В частности серию SS490 образуют два датчика с разным входным диапазоном и наклоном передаточной функции, однако каждый из этих датчиков доступен в нескольких исполнениях, различающихся разбросом выходного напряжения и температурной стабильностью (см. таблицу 2).

Таблица 2. Рабочие характеристики линейных датчиков Холла серии SS490

Характеристика SS495A SS495A1 SS495A2 SS495B SS496A SS496A1 SS496B
Входной диапазон (typ), мТл ±67 ±67 ±67 ±67 ±84 ±84 ±84
Размах выходного напряжения (typ), В 0,2…VS-0,2
Выходное напряжение V(0) (Vs=5 В), В 2,5±0,075 2,5±0,075 2,5±0,1 2,5±0,15 2,5±0,075 2,5±0,075 2,5±0,15
Чувствительность, В/Тл 31,25±1,25 31,25±0,94 31,25±1,56 31,25±2,5 25±1 25±0,75 2,5±2
Линейность (не более), % -1,5
Температурный дрейф V(0) (не хуже), %/°С ±0,06 ±0,04 ±0,07 ±0,08 ±0,048 ±0,03 ±0,06
Температурный дрейф чувствительности
(не хуже), %/°С
-0,01 +0,06 -0,02 +0,06 -0,02 +0,07 -0,02 +0,06 -0,01 +0,6 -0,01 +0,06 -0,02 +0,06

Всего доступно семь исполнений датчиков, и поэтому пользователь получает широкие возможности по оптимизации отношения цена-качество. Датчики SS490 также примечательны тем, что их выходной каскад относится к типу «rail-to-rail», что существенно упрощает работу с выходным сигналом в низковольтной системе.

Некоторые примеры использования линейных датчиков демонстрирует рисунок 5.

Рис. 5. Примеры областей применения линейных датчиков Холла

На рисунках 5а и 5б представлены более износостойкие альтернативы линейного и углового потенциометров. Приведенные конструкции могут служить основой для построения различного рода задатчиков и органов управления. Такие устройства широко используются в устройствах промышленной автоматики. Пример построения линейного датчика положения демонстрирует рисунок 5в. Здесь решается задача контроля углового положения рычага. Закрепленная на нем магнитная система обеспечивает изменение выходного напряжения как функции угла поворота в соответствии с приведенным графиком. Выходное напряжение датчика может быть подано на вход АЦП для ввода в систему информации об угловом положении, а также, опционально — на вход компаратора напряжения для детектирования концевого положения рычага с последующей генерацией прерывания. Как уже упоминалось, обширной областью применения линейных датчиков Холла является контроль тока .

Компания Honeywell выпускает широкий ассортимент датчиков Холла с цифровой и линейной передаточной функцией. Они доступны в различных исполнениях, предоставляя пользователю возможность наилучшим образом оптимизировать конечное решение по себестоимости и рабочим характеристикам. В обновленной в 2009 году линейке датчиков Холла учтены все современные тенденции миниатюризации, удешевления и повышения экономичности электронной техники: появились датчики в более миниатюрном корпусе SOT-23, улучшены параметры электропитания, а также добавлен ряд других рассмотренных выше функций.

Более детальную информацию по датчикам Холла, а также другим датчикам компании Honeywell можно получить по ссылке www.honeywell.com/sensing.

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*