Czujnik Halla

Czujnik Halla to mały czuły element, który pozwala śledzić zmiany w polu magnetycznym. Odkrycie ma już 100 lat, zjawisko leżące u podstaw zasady działania znane jest od 1879 roku, ale dopiero w ciągu ostatnich kilku dekad produkty stały się integralną częścią przykładów postępu technologicznego.

Efekt Halla

Edwin Hall pokazał, że w kierunku poprzecznym do pola magnetycznego w przewodniku generowany jest emf, gdy przepływa przez niego prąd stały. W praktyce wygląda to na pojawienie się potencjałów na krawędziach metalowego paska, gdy magnes jest doprowadzany do paska. W rezultacie staje się możliwe rejestrowanie faktu zbliżania się do czujnika. Różnica potencjałów zależy głównie od:

1. Wielkość płynącego prądu stałego.
2. Siła pola magnetycznego.
3. Mobilność i koncentracja nośników ładunku w materiale.

Do lat 50. XX wieku, kiedy po raz pierwszy utworzono rejestrator promieniowania mikrofalowego, efekt Halla nie został zastosowany poza laboratoriami. W masowym pływaniu uruchomionym przez producentów klawiatur komputerowych - obawy okazały się być zainteresowane znalezieniem bezstykowego sposobu rejestracji pozycji kluczy i znalezionego w 1968 roku. Czujnik półprzewodnikowy, wynaleziony w 1965 roku przez Joe Mopina i Everetta Wortmana, znacznie poprawił charakterystykę sprzętu. Obecnie przemysł odnotowuje coroczny wzrost zapotrzebowania na czujniki Halla, szacuje się, że pięć największych firm produkcyjnych pobiera 2 miliardy dolarów przychodu.

Obecnie czujniki Halla wykorzystują tę cechę - są prawie wieczne, nie zawierają ruchomych ani rozcierających części. W klawiaturze nie jest wrażliwy element, który się psuje, ale kontroler. Istnieją wirusy, które mogą przeprogramować chip i zainfekować komputer. .. za pomocą klawiatury USB.Nawiasem mówiąc, tajne służby od dawna stosują metodę szpiegowania, ale po prostu nie ma skutecznej ochrony przed lukami w zabezpieczeniach.

Efekt Halla przejawia się w przewodniku, im silniejszy, tym niższa koncentracja nośnika i większa mobilność.Metale( na podstawie których zjawisko to zostało po raz pierwszy zademonstrowane) nie są uważane za idealny materiał do tworzenia czujników. W znacznie większym stopniu do tego celu nadają się półprzewodniki. Jednocześnie znacznie zmniejsza to koszty i zwiększa unifikację produkcji masowej.

Zobaczmy, jak działa czujnik Halla. Wyobraź sobie półprzewodnikowy pasek, wzdłuż którego płynie prąd stały. W przypadku braku zewnętrznych zakłóceń powstaje wewnątrz pole elektryczne, które napędza nośniki ładunku. Załóżmy teraz, że linie stałego pola magnetycznego powstają prostopadle do powierzchni paska. Wyłaniająca się siła Lorentza będzie regułą lewej ręki do działania w tym procesie. Przypomnij sobie, że kierunek jest określany w następujący sposób: "Jeśli umieścisz lewą rękę w taki sposób, że linie pola magnetycznego są prostopadłe do dłoni, a wyciągnięte palce wyglądają w kierunku ruchu ładunku( w fizyce - dodatnio naładowane cząsteczki, a nie ujemne elektrony), kciuk wygięty o 90 stopniwskaże kierunek działania sił Lorentza. "

W efekcie Halla nie ma zagadek. Formułę Lorentza zaproponowano dobre kilkanaście lat później - w 1892 r. - zanim ludzie odkryli, że talerz złota tworzy potencjalną różnicę na końcach, gdy płynie prąd stały. Wpływ pola magnetycznego na przewodniki w 1831 roku został wyraźnie wyrażony przez Michaela Faradaya, dzięki tajemniczemu wielbicielowi którego świat dowiedział się o generatorach i silnikach. Nadal nie wiadomo, kto stworzył pierwszy silnik prądu stałego. Kiedy odwrócony działa generator.

Hall Effect został otwarty w 1879 roku u podstawy Johns Hopkins University w Baltimore. Edwin próbował przetestować teorię Kelvina, wyrażoną trzydzieści lat wcześniej, aktywnie pracującą nad wpływem pola magnetycznego na złotą płytę.Naukowiec wprowadził współczynnik pokazujący wytworzony efekt w zależności od iloczynu zastosowanego pola magnetycznego i prądu płynącego. Oczywiście wartość zależy od właściwości materiału. Chwila ta została już omówiona.

Efekty Halla Czujników Halowych

Eksperci zwracają uwagę na następujące zalety czujników Halla:

1. Długa żywotność( dla klawiatury - 30 miliardów kliknięć).
2. Brak ruchomych części( elektronika półprzewodnikowa), co wyraźnie upraszcza konstrukcję i stawia wysokie wymagania na wibracje i wstrząsy.
3. Zdolność do pracy przy częstotliwościach zmiany pola magnetycznego do 100 kHz.
4. Proste połączenie z logicznymi poziomami sygnałów technologii cyfrowej.
5. Szeroki zakres temperatur roboczych( od minus 40 do plus 150 stopni Celsjusza).
6. Wysoka powtarzalność pomiarów, która ułatwia tarowanie instrumentów opartych na czujnikach Halla.

Czujniki Halla

Design Podczas pracy doskonale manifestowały się tradycyjne materiały półprzewodnikowe - arsenidy galu i indu. Zwykle czujnik Halla jest małą płytką, której przeciwległe powierzchnie są parami elektrod. Karmienie szerokie i znajduje się z boku prostokąta. Gdzie sygnał jest odbierany - najprostszy punkt. W dowolnym schemacie zaznaczony jest punkt wspólny( przewód neutralny, neutralny), suma styków wynosi trzy. Linie ujemne są łączone.

Eksperci zauważają, że nawet przy braku pola magnetycznego na elektrodach zwykle występuje niewielki sygnał.Nie wynika to z wpływu naszej planety, jak pomyślą czytelnicy. Potencjał wzdłuż bocznej krawędzi płyty jest nierównomiernie rozłożony. I nie zawsze wskazane jest identyfikowanie równoważnych punktów.Łatwiejsze jest tarowanie elektroniki połączonej z czujnikiem lub kierowanie impulsami punktowymi, co często odbywa się w praktyce. Wzmacniacze różnicowe są często używane do korekcji( wyprowadzana jest tylko zmiana sygnału).

Grubość folii przewodnika jest zwykle niewielka, ledwo osiąga 10 mikronów. Do osadzania na podłożu za pomocą metody litografii. Umożliwia to tworzenie czujników Halla o małej czułości, co znacznie i często zwiększa dokładność pomiarów, ponieważ powierzchnia jest niewielka. W przyrządach służy to do oceny pozycji części mechanizmów. Jednak małe czujniki wykrywają stosunkowo niską odpowiedź, mierzoną w kategoriach W / T( moc wyjściowa użytecznego sygnału w zależności od napięcia pola magnetycznego).W przypadku szeregowych czujników Halla parametr zwykle waha się od 0,03 do 1.

W praktyce wygląda to jak generator impulsów. Załóżmy, że na wale silnika pralki znajduje się pewna liczba magnesów, przy czym powstaje pewna liczba szczytów. W rezultacie, elektroniczne napełnienie ocenia prędkość obrotową, położenie kątowe wirnika, które jest stosowane, na przykład, w silnikach zaworowych( z elektronicznym przełączaniem uzwojeń).

Odwróćmy się i wyjaśnij, dlaczego mały czujnik Halla ma słabą odpowiedź.Amplituda generowanych impulsów zależy od płynącego prądu stałego, ale nie może być duża, w przeciwnym razie folia przewodząca( o wystarczająco dużej rezystancji) przegrzeje się i spali. Dlatego prawidłowe wartości( w amperach) wahają się od 5 do 50 mA.

Zastosowanie czujników halowych

Czujniki halla

1. są szeroko stosowane w urządzeniach domowych. Wymownym przykładem są pralki. Użytkownicy łamią sobie zdanie, ponieważ w zaawansowanych modelach pralka jest ważona. Sieć zawiera patenty, w których proponuje się rozwiązać problem czołowo za pomocą sprężyn lub czujników tensometrycznych. Takie urządzenia nie są zdolne do dużej niezawodności, ryzykując ciągłe poddawanie odkształceniom. Ponadto na zbiorniku zawieszonych jest kilka cegieł, co oznacza, że ​​całkowita waga konstrukcji jest duża, co nakłada ograniczenia. W praktyce, w pralkach, pranie jest najpierw obficie nawilżane, a następnie całkowitą masę szacuje się na podstawie prędkości przyspieszenia bębna. Jest to ważenie prania, które dodatkowo określa program pracy urządzenia, zużycie proszku, wody, płukania.
2. W komputerowych klawiaturach czujniki Halla jako pierwsze weszły w masową produkcję.Zwykle na podłożu znajduje się wrażliwy element, magnes jest przymocowany do klucza. Jasne jest, że wewnątrz nowoczesnej klawiatury nie ma już sprężyn, a siła sprężystości jest tworzona przez polimery o wysokiej żywotności. Rozwiązanie jest niezwykle skuteczne: nie jest to czujnik, który rozkłada się, a część mechaniczna nie jest elastyczna, sterownik nie działa.
3. Czujnik Halla może być używany do pomiaru prądu( jak w obecnych szczypcach).Urządzenie może reagować na zmiany w polu elektromagnetycznym otaczającym drut. Powstaje tak zwane uzwojenie wzbudzenia( indukcyjność z drutu miedzianego).Mierzony prąd jest dostarczany do kranów, w wyniku czego powstaje fala elektromagnetyczna, część jest szacowana przez czujnik Halla. Odpowiedź zależy bezpośrednio od zmierzonej wartości. Obliczenia przeprowadza się zgodnie ze wzorami ustanowionymi na przykład w sterowniku. Aby uzyskać dokładność, przyrząd jest skalibrowany przez producenta. A korzyści wymienione powyżej pozostają przede wszystkim - brak ruchomych części. Podobnie, za pomocą czujników Halla można zmierzyć moc.
   

   Zastosowanie czujnika

4. Konwersja napięcia DC na AC uważana jest za przykład stworzenia generatora. Jeśli czujnik Halla znajduje się w zmiennym polu magnetycznym, napięcie na wyjściu powtarza kształt. Wydajność urządzenia nie ma dużej wartości. Ale projekt jest maksymalnie uproszczony, staje się możliwe bezpośrednie przeniesienie kształtu pola magnetycznego na prąd elektryczny.
5. W związku z faktami opisanymi powyżej, zauważamy, że czujniki Halla pozwalają kontrolować przepływ i pełne ładowanie akumulatorów( mierząc prąd płynący i integrując go z upływem czasu).Powoduje to możliwość ich szerokiego zastosowania. Na przykład w telefonach komórkowych( do 37% rynku).Jednak eksperci uważają, że najbardziej obiecującym kierunkiem jest segment pojazdów elektrycznych, w którym kwestia dostępności energii będzie miała kluczowe znaczenie.
6. Dzięki obecności pola magnetycznego Ziemi możliwe staje się tworzenie kompasów opartych na czujnikach Halla. Jedynym problemem jest to, że wartość w Tl jest nierównomierna na powierzchni kontynentów i kontynentów, a wprowadzanie metod korekcji jest wymagane. Z tego powodu czasami działają automatyczne systemy stabilizacji obrazu dla kamer wideo urządzeń mobilnych.
7. Niewiele wiadomo, ale przemysł motoryzacyjny odpowiada za 52% wydajności z wydania czujników Halla. W tej branży jest wymagany pomiar prędkości obrotowej kół, wału korbowego i wałka rozrządu. Czytelnicy już zgadli, że czujnik Halla pomoże w określeniu położenia zaworu dławiącego, sterowania. Rynek motoryzacyjny stał się główną siłą napędową dla dalszego ulepszania urządzeń.Niektóre systemy są uznawane za de facto standard( ASIC, ASSP, ESC / ESP, itp.) Na huku, a czujniki Halla biorą w nich czynny udział.