Датчик Холла. реферат_Датчики_Холла-10_11_2016. От CostAuthority65168

• Название: От CostAuthority65168
• Анкор: Датчик Холла
• Дата: 20.12.2019
• Размер: 65.4 Kb.
• Имя файла: реферат_Датчики_Холла-10_11_2016.doc
• Тип: Реферат; #101250

реферат Датчики Холла

от CostAuthority65168 | skachatreferat.ru

Содержание

Введение 3
1. Теоретические сведения 4
2. Датчики Холла 8
2.1 Технология изготовления датчиков Холла 9
2.2 Возможности применения датчиков Холла 14
2.3 Применение датчиков Холла 17
Заключение 29
Список литературы 30


Введение

Кинетические явления, возникающие в твердых телах при совместном действии на них электрического и магнитного полей, называются гальваномагнитными явлениями. Рассмотрим одно из наиболее изученных гальваномагнитных явлений, по­лучавшее название эффекта Холла.
Эффект открыт в 1879 г. американским физиком Э́двином Ге́рбертом Холлом (англ. Edwin Herbert Hall; 7 ноября 1855 - 20 ноября 1938), 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).
В настоящее время на основе эффекта Холла работают датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля.[1]

1. Теоретические сведения

Пусть по полупроводнику в форме параллелепипеда течет ток вдоль оси x, а магнитное поле направлено вдоль y (рисунок 1). Плотность тока:

(1)

Рисунок 1 - Геометрия эксперимента по наблюдению эффекта Холла

Дрейфовая скорость электронов в направлении против поля , а дырок – по полю. При включении магнитного поля на носители действует сила Лоренца:

(2)

так как , то

(4)

1. Таким образом, направление силы Лоренца определяется только и и не зависит от знака носителей заряда. Электроны и дырки отклоняются в одну сторону, если их скорость определяется только электрическим полем.
2. В бесконечномобразце под действием и электроны и дырки за счет столкновений движутся по траектории, усредняющей циклоиды под углом
к исходному вектору (рисунок 2а, б).

Рисунок 2. Эффект Холла в образце: бесконечных размеров (а, б); конечных размеров (в, г) (а, в n – тип; б, г p – тип)

3. В полупроводнике конечных размеров происходит накопление носителей заряда на соответствующих гранях, избыточный заряд порождает поперечное поле по отношению к . Эффект Холла – возникновение поля Холла под действием магнитного поля (рисунок 2в, г).
4. Направление поля Холла зависит от знака носителей заряда.

, суммарное поле

(5)
Холл нашел эмпирическое соотношение:

(6)

5. Величину R можно найти из условия компенсации полем Холла силы Лоренца:

(7)


Таким образом (рисунок 1),

(8)

где b и t – ширина и толщина образца, соответственно.
Коэффициент Холла обратно пропорционален концентрации носителей заряда и его знак совпадает со знаком носителей заряда.
6. Учет механизма рассеяния носителей заряда требует включения в (8) коэффициентов (акустические фононы), (рассеяние на ионах), А = 1 (нейтральная примесь).
(9)

Учет носителей обоих знаков в собственном полупроводнике уменьшает R:

(10)
7. Эффект Холла – нечетный (по отношению к ) эффект, т.е. при изменении направления поля меняется знак эффекта Холла.
При измерении эффекта Холла необходимо учесть посторонние э.д.с.: 1) неэквидистантности зондов; 2) эффект Нернста - Эттингсгаузена и другие.
Для уменьшения степени влияния токовых контактов на величину эффекта Холла используют узкие и длинные образцы.
Эффект Холла – прямой метод определения n,  и определения ширины зон (Е) и энергии активации локальных уровней. [2]

2. Датчики Холла

Первые предложения по техническому использованию эффекта Холла были высказаны на рубеже XIX и XX вв. Реальная база для этоговозникла, однако, значительно позднее, а именно со времени разработки технологии получения полупроводниковых материалов, характеризующихся значительными подвижностями носителей тока. К этим материалам относятся: германий Ge, кремний Si, антимонид и арсенид индия InSb и InAs, арсенид - фосфид индия InAsP, арсенид галлия GaAs, селенид и теллурид ртути HgSe и HgTe. За последние годы в технологических лабораториях разработано несколько новых материалов, например, кадмий-ртуть-теллур CdHgTe, арсенид кадмия Cd3As2, которые также могут быть пригодны для технических применений эффекта Холла.
Одновременно с развитием технологии полупроводниковых материалов, в которых эффект Холла проявляется в сильной степени, отмечается прогресс и в области полупроводниковых приборов, работа которых основана на этом эффекте. Для электродного элемента, в основе работы которого лежит эффект Холла и который представляет собой полупроводниковую пластину с выводами и защитной оболочкой, в русской литературе принято название датчик Холла.
Требования, предъявляемые к датчикам Холла, разнообразны и зависят от их назначения. До настоящего времени нет такого материала, который обладал бы всеми требуемыми параметрами. Ряд материалов отвечает только некоторым требованиям. Поэтому из множества полупроводниковых материалов, в которых наблюдается эффект Холла, для датчиков Холла выбирается тот или иной материал в зависимости от конкретной пели применения датчика.
Обычно для элементов Холла используются материалы n-типа. т. е. с электронной проводимостью, так как подвижность носителей тока в них в несколько раз (от двух до нескольких десятков) больше, чем в материалах р-типа. Основными параметрами полупроводниковых материалов, используемых для изготовления датчиков Холла, считаются: удельное сопротивление (иногда удобно употреблять удельную электрическуюпроводимость ), коэффициент Холла и подвижность. Все эти параметры являются зависимыми от концентрации носителей тока, температуры и магнитной индукции; может также проявляться анизотропия этих зависимостей. Кроме того, существует целый ряд эффектов, сопровождающих явления Холла таких как термо-э. д. с, гальвано- и термомагнитные эффекты.
Идеальный датчик Холла должен обладать следующими свойствами:
1) большой чувствительностью;
2) большим выходным напряжением;
3) большим к. п. д. и большой мощностью, снимаемой с электродов Холла;
4) независимостью параметров от температуры;
5) линейностью относительно Ix, Вz и R (активное сопротивление нагрузки).
Из свойств полупроводниковых материалов, следует, что перечисленные требования являются, в общем, противоречивыми и все одновременно не могут быть выполнены. По этой причине проектирование датчиков Холла необходимо проводить с учетом их конкретного назначения, не обращая особого внимания на менее существенные параметры и стараясь получить соответствующие значения заданных параметров.
В ряде конкретных применений появляются дополнительные требования, такие как:
1) малая толщина датчика Холла - в случае работы в узких зазорах;
2) малые размеры активной поверхности – в случаи исследования распределения неоднородности магнитного поля.

2.1 Технология изготовления датчиков Холла

Исходным материалом для изготовления датчиков Холла может быть полупроводниковый материал поли - или монокристаллический. В зависимости от способа получения материал может быть в виде слитка, принявшего форму тигля, как это показано на рисунке 3а, если он получен в виде поликристалла, либо в виде монокристалла, выращенного методом направленной кристаллизации, если же это монокристалл, выращенный по методу Чохральского, то слиток имеет вид неправильного цилиндра, как на рисунке 3б. Слиток можетбыть также в виде длинного (20-30 см) цилиндра, если он получен методом вертикального бестигельного плавления.
Типовой технологический процесс пластины датчика Холла состоит из следующих операций:
1) вырезка пластины,
2) обработка поверхности,
3) пайка либо сварка электродов (в случае датчиков Холла еще симметризация электродов),
4) герметизация.
Опишем последовательно отдельные этапы технологического процесса.


а) б)
Рисунок 3 – Внешний вид а) германиевого поликристаллического слитка, полученного зонной плавкой б) монокристаллического германия, полученного методом Чохральского

1. Пластины вырезаются на типовых станках для резки полупроводниковых материалов. Обычно это станки с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборундового или алмазного порошка.
Чтобы уменьшить потери полупроводникового материала, применяют абразивные круги толщиной 0.2- 0,3 мм. Несмотря на это, при толщине вырезаемых пластин в 200-300 мкм потери материала при резке остаются очень большими. В равной степени сказанное относится также к резке при помощи полотен или проволоки с использованием карборундового или алмазного порошка. Из вырезанных брусков дальнейшей резкой получают прямоугольные пластины с соотношением длин сторон (1:2) -(1:3), поступающие на дальнейшие операции.
2. Обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый - это механическая шлифовка и полировка, имеющие целью устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводку толщины пластин до заданной величины. Толщина вырезанных пластин обычно бывает не меньше чем 200-300 мкм (это обусловлено хрупкостью полупроводниковых материалов), однако конечная толщина пластин находится в пределах от 60 до 200мкм, а в некоторых случаях и тоньше. Примером является технология изготовления кристаллического датчика Холла ВН201, фирмы Белл,который в корпусе достигает толщины 130 мкм.
Шлифовка проводится типичным для полупроводников способом при помощи порошков - карборундовых (SiC), алундовых (Al2O3) либо алмазных с соответству­ющим диаметром зерен (от 30 до 0,1 мкм) на плитах стеклянных, металлических, а в конце - на плитах, покрытых специальными тканями. Если нужно шлифовать пластины до толщин, меньших чем 150 мкм, следует предварительно приклеить пластины к керамическому элементу корпуса, чтобы предохранить их от растрески­вания, и дошлифовывать в сборке с керамикой. Затем к пластинам на керамических подложках присоединяются остальные элементы датчика.
Вторым этапом обработки поверхности, не всегда, впрочем, применяемым, является химическое травление, имеющее своей целью окончательную очистку поверхности пластин. Для травления германия и кремния применяются типичная в технологии изготовления транзисторов травящая смесь СР4 (смесь HF: HNO3: СН3СООН: Вr), а также кипящая H2O2 и др. Однако с точки зрения данных работы следует стремиться к тому, чтобы травление германия или кремния не давало по­верхности с малой скоростью поверхностной рекомбинации. Для интер­металлических соединений травление является менее существенным процессом и не всегда применяется.
3. Следующей операцией является изготовление контактов к пластине. Контакты металл - полупроводниковый материал должны обладать следующими свойствами:
а) контакты должны обладать малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением пластины датчика,
б) контакты должны быть линейными по току,
в) холловские контакты при отсутствии магнитного поля должны находиться на эквипотенциальной поверхности.
Первое условие может быть выполнено благодаря со­ответствующему подбору материала контакта, а также технологии изготовления. Для полупроводниковых мате­риалов с большим удельным сопротивлением можно легковыполнить это условие благодаря большой разнице в удельных сопротивлениях полупроводника и металла контакта. Зато в случае антимонида и арсенида индия это гораздо труднее, так как здесь разница в удельных сопротивлениях материалов контакта и пластины в
1000-10 000 раз меньше, чем в случае германия и кремния. Это приводит к значительно большему влиянию сопротивления контактов на общее сопротивление датчика Холла, изготовленного из интерметаллических соединении, по сравнению с датчиками Холла, изготовленными из германия и кремния. В результате имеют место относительно большие потери входной и выходной мощности.
Второе требование к электродам - отсутствие выпрямления и инжекции носителей тока - труднее всего реализовать в германии и кремнии. На этих материалах сравнительно легко получить нелинейные контакты; в то же время в антимониде индия, например, любой контакт будет выпрямляющим лишь при температуре жидкого азота (78° К), тогда как при комнатной температуре тот же самый контакт является уже линейным.
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:
1) датчик Холла - в принципе статический элемент, что, например, при выполнении измерений магнитной индукции даст ему преимущества перед измерениями, проводимыми баллистическим или индукционным методами;
2) датчик Холла есть направленный элемент, так как выходноенапряжение пропорционально нормальной составляющей вектора магнитной индукции; это позволяет определять экстремальные значения и распределение магнитных полей в пространстве;
3) 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;
4) 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;
5) 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;
6) линейная (в больших диапазонах) зависимость выходного напряжения от управляющих величин (поля или тока);
7) простая зависимость выходного напряжения от произведения двух входных величии;
8) передача сигналов без искажений;
9) широкий частотный диапазон передаваемых сигналов - теоретически от 0 до 1012 гц;
10) бесконтактная (с помощью магнитного поля) передача сигналов;
11) 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;
12) возможность разнообразного соединения датчиков Холла (последовательного и параллельного, последовательного и встречного, входными и выходными цепями, гальванического или с помощью магнитного поля);
13) относительно простая и маломощная схема электропитания (постоянным, переменным или импульсным током);
14) практически неограниченный срок службы.
К числу главных недостатков относятся:
1) относительно сложная технология(однородность материала, контакты);
2) большой разброс параметров в пределах одной партии датчиков Холла, что вынуждает определять характеристики каждого датчика в отдельности и усложняет взаимозаменяемость датчиков Холла;
3) зависимость сопротивления и коэффициента Холла от температуры;
4) зависимость сопротивления и коэффициента Холла от магнитного поля;
5) наличие остаточного напряжения, в том числе резистивного и термического, а также напряжения, наводимого в выводах переменными полями;
6) нестабильность нуля, как следствие пп. 3.-5;
7) отсутствие общего заземления у входа и выхода датчика Холла, что затрудняет его совместную работу с ламповыми (и транзисторными) схемами;
8) 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:
1. По характеру непостоянства величины управляющего тока и магнитной индукции B:
1) , а B – меняется, например, при изменении магнитного поля;
2) B = const, а - меняется , например, в гираторах;
3) и B изменяются, например, при измерениях мощности и в множительных устройствах.
2. По роду B (постоянный, переменный):
1) ;
2) ;
3) ;
4) или .
3. По относительному положению датчика Холла относительно источника магнитного поля:
1) датчик Холла неподвижен, например, в сердечнике при измерении больших постоянных токов;
2) положение датчика Холла можно менять произвольным способом, например, при измерениях магнитного поля;
3) датчик Холла вращается в магнитном поле либо источник поля (постоянный магнит) вращаетсявокруг датчика Холла, например, в генераторах низкочастотных колебаний;
4) датчик Холла или источник магнитного поля двигается вдоль «прямой линии, например, в измерителях перемещений;
5) датчик Холла или источник поля колеблются, например, при измерениях вибраций (виброускорений).
4. В соответствии с конкретными применениями, как, например:
1) измерение магнитных величин;
2) измерение электрических величин;
3) измерение неэлектрических величин и т. п.[3]

2.3 Применение датчиков Холла

Применение датчиков на основе эффекта Холла включает в себя выбор магнитной системы и сенсора Холла с соответствующими рабочими характеристиками. Эти два компонента объединяются в единую систему, которая будет удовлетворять данному конкретному применению. Разработано большое количество различных устройств, которые объединяют сенсор и магнитную систему в едином корпусе. Поскольку характеристики такого устройства предопределены, то его применение не требует разработки магнита или сенсора, а состоит в электрическом или механическом сопряжении устройства.

1.Ползунковый позиционный датчик
Ползунковый датчик состоит из системы магнита и датчика Холла с цифровым выходом, как это показано на рисунке 1

Рисунок 4. Ползунковый датчик

Магнит и датчик Холла жестко установлены в одном корпусе из немагнитного материала. Между датчиком и магнитом имеется зазор, в который может проходить железный экран. Датчик Холла детектирует наличие или отсутствие экрана в зазоре.
1.1. Принцип работы
Возможен другой вариант базовой конструкции, в котором магнит добавлен и со стороны датчика, что уменьшает магнитное сопротивление в зазоре. Магнитные линии, показанные на рисунке стрелками от северного полюса к южному, проходят зазор в датчике. В результате датчик нормально включен. Магнитный поток изменяется, когда металлический экран вводится в зазор. Этот экранзамыкает на себя (шунтирует) магнитный поток,
поступающий в сенсор. В результате датчик выключается, когда металлический ползунок (экран) введен в зазор и перерывает магнитный поток.
Зависимости магнитного потока от расположения экрана в зазоре показывают, каким образом магнитное поле, детектируемое сенсором Холла, изменяется при прохождении экрана в зазоре. Полагаем, что сенсор имеет две точки, определяющие его состояние - работы и отключения. Когда экран движется слева направо, сенсор находится в состоянии «включено» до тех пор, пока передний край экрана не достигнет точки «b». По достижении этой точки (определенной как «левое выключение») сенсор будет выключен. Если движение экрана продолжается, сенсор будет оставаться в положении «выключено» пока задний конец экрана не достигнет точки «d». По достижении этой точки (определенной как «правое включение») сенсор опять включается. Общее расстояние, проходимое экраном пока сенсор находится в состоянии «выключено» равно расстоянию между точками «b» и «d» плюс ширина экрана.
Если экран движется справа налево, то сенсор будет включен пока передний конец экрана не достигнет точки «с» (определенной как «правое выключение»). Сенсор находится в состоянии «выключено» до тех пор, пока задний конец экрана не достигнет точки «а» (определенной как «левое включение»). Общее расстояние, проходимое экраном пока сенсор находится в состоянии «выключено» равно расстоянию между точками «с» и «а» плюс ширина экрана.
Во многих случаях экран состоит из нескольких «зубцов». Расстояние между отдельными зубцами определяется как «окно». На рисунке 2 показан экран с двумя зубцами и одним окном.

Рисунок 5. Экран в системе из магнита и датчика Холла

Если этот экран проходит через зазор, то расстояние, в течение которого сенсор находится в состоянии «выключено», равно ширине зуба плюс расстояниемежду точками «b» и «d», т.е. такое же, как показано на рисунке 1. Общее расстояние, которое проходит экран при состоянии сенсора «включено», равно ширине окна минус расстояние между точками «b» и «d» или «с» и «а» в
зависимости от направления движения.

1.2 Параметры датчиков
Параметры ползунковых позиционных датчиков описываются в геометрических размерах экрана и геометрических размерах магнитной системы. Геометрические размеры магнитной системы есть расстояние между правыми и левыми точками включения и выключения, как это описано ранее. Геометрический размеры экрана есть размеры окон и зубцов, обеспечивающие работу сенсора.
Типичные размеры магнитной системы приведены в таблице1 (расстояние в дюймах относительно опорной точки).

Таблица 1 - Размеры магнитной системы ползункового датчика
Левые

Правые

Точка «a»

Точка «b»

Разность

Точка «d»

Точка «c»

Разность

0.390± 0.03

0.410± 0.03

0.020 ± 0.014

0.510 ± 0.03

0.490 ± 0.03

0.020 ± 0.014


Типичные параметры экрана приведены в таблице 2 (в дюймах).

Таблица 2 - Параметры экрана
Толщина

Минимальный размер зубца

Минимальный размер окна

Минимальная глубина окна

0.04

0.4

0.4

0.4

0.06

0.25

0.4

0.37


Линейные экраны используются для фиксации линейного перемещения деталей, для индикации положения деталей с круговым перемещением используются дисковые экраны. Следует отметить, что размеры зубцов и окон дискового экрана не одинаковые по внутренней и внешней окружностям, ограничивающим их размеры. Поэтому необходимо тщательно следить за выполнением требований по среднему, минимальному и максимальному размеру зубцов и окон в соответствии с требованиями магнитной системы.

2.Цифровые токовые датчики

Быстродействующие, автоматически переустанавливаемые токовые датчики могут быть изготовлены с использованием цифрового выхода датчика Холла. Токовыйдатчик включает электромагнит и сенсор Холла, объединенные в одном корпусе, как это показано на рисунке 1. Ток, проходящий по катушке электромагнита, генерирует магнитное поле, которое детектируется датчиком Холла. Внешний сигнал изменяет состояние датчика, когда его величина превышает некоторый пороговый уровень. Этот внешний сигнал может использоваться для сигнала тревоги или непосредственно контроля его величины.

2.1 Принцип работы

Работа токового датчика основана на использовании электромагнита для генерации магнитного поля. Магнитное поле генерируется вокруг проводника при прохождении по нему тока. Плотность магнитного потока пропорциональна величине тока по проводнику. Если проводник выполнен в виде спиральной катушки, то магнитное поле соседних витков складывается. В результате магнитное поле спиральной катушки прямо пропорционально
произведению количества витков в катушке и току через катушку.
Проводник, катушка или их комбинация вместе с магнитным материалом представляет собой электромагнит. Магниты предназначены для концентрации магнитного поля в узком зазоре, где и располагается датчик Холла.
Датчик Холла с цифровым выходом работает, как показано на рисунке 3.

Рисунок 6. Характеристика работы датчика Холла с цифровым выходом.
Датчик находится в состоянии «включено», когда ток превышает пороговое значение I2 и выключается, когда ток падает ниже значения I1 . В идеальном случае датчик включается в тот момент, когда ток достигает значения I2 . Однако, если ток изменяется быстро (с крутым фронтом), возникает вихревой ток (ток, наведенный быстрым изменением плотности магнитного поля). В свою очередь этот ток генерирует магнитное поле, противоположное по отношению к полю от основного тока, что понижает общую плотность магнитного поля, измеряемого датчиком. В результате имеет место задержка между временемдостижения током порогового значения I2 и временем включения датчика.

3.2 Параметры датчиков
Типовые характеристики цифровых токовых датчиков Холла приведены в таблице 3. Для датчика определяется ток включения и ток выключения. Рабочий ток датчика должен превышать напряжение включения. Сопротивление катушки используется для вычисления падения напряжения(вносимых потерь) и мощности, рассеиваемой на катушке. Температурная стабильность используется для вычисления изменения тока включения и выключения датчика в зависимости от рабочей температур

Таблица 3 - Типовые характеристики цифровых токовых датчиков Холла
Ток включения
Минимальный ток выключения
Максимально допустимый рабочий ток
Максимальное сопротивление катушки
Температурная стабильность
5 0.25 А
3.8 А
20 А при 25 0С
0.005 Ом
0.008 А/оС


4.Линейные токовые датчики

Токовые датчики с аналоговым выходом могут быть реализованы с использованием линейных сенсоров Холла. Токовый датчик содержит кольцо из феррита или кремнистой стали и микросхему датчика Холла, объединенных в единый корпус. Ток, проходящий через проводник, генерирует магнитное поле. Магнитное кольцо концентрирует магнитный поток в области микросхемы датчика Холла. Линейная зависимость и изолированность от измеряемого тока делает линейный токовый датчик идеальной схемой для контроля двигателя.
Выход интегральной схемы датчика Холла пропорционален току в проводнике, выходной линейный сигнал точно воспроизводит форму измеряемого тока.


Рисунок 7. Характеристика работы датчика Холла с аналоговым выходом.

Линейный токовый датчик определяет величину магнитного поля, создаваемого протекающим током, но не сам ток. Измеряемый ток проходит кольцо, концентрирующее магнитный поток в области датчика Холла. Форма напряжения на выходе датчика Холла соответствует форме измеряемого тока. Конструктивное исполнениеобеспечивает изоляцию датчика и гарантирует нормальную работу при большом токе или высоком напряжении.
Датчик Холла есть устройство измерения отношения. Выходное напряжение датчика будет равно половине напряжения питания VCC /2, когда измеряемый в проводнике ток равен нулю. Диапазон выходного напряжения составляет от 25% до 75% от напряжения питания (0.25VCC Токовые датчики следует использовать в области значений, близких к максимальным, т.к. это уменьшает влияние шумов. Для повышения измеряемого тока до уровня, близкого к максимальному, необходимо увеличивать число витков проводника вокруг сердечника. Например, датчик на 50А пикового значения тока может быть использован для измерения пикового тока через проводник величиной до 10А, если проводник имеет пять витков вокруг сердечника. Изменение расположения проводника на сердечнике не вносит большой ошибки в измерения. Чувствительность датчика также повышается с увеличением количества витков проводника вокруг сердечника.
Как и любой датчик Холла, токовый датчик зависит от температуры. Линейный датчик имеет зависимость от температуры среднего выходного напряжения и чувствительности. Типичным для датчиков является величина температурного коэффициента сдвига среднего напряжения от ± 0.02 до ± 0.05 %/оС, температурный коэффициент чувствительности примерно ± 0.03 %/оС.
Сердечник обычно изготавливается из феррита или кремниевой стали. Материал выбирается исходя из параметров насыщения. При некотором значении тока материал сердечника не может поддерживать дальнейшее увеличение магнитного потока и наступает насыщение. Когда это происходит, датчик не обеспечивает повышениевыходного напряжения при увеличении напряженности магнитного поля. На точку насыщения влияет величина воздушного зазора в сердечнике. Изменяя величину этого зазора, можно изменять величину тока, которая приводит к насыщению.
Типичные характеристики линейного токового датчика Холла приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристики линейного токового датчика Холла
Напряжение питания
Ток потребления
Величина среднего напряжения

Сдвиг среднего напряжения

Время отклика
6 ... 12В

20мА

0.5VCC

± 0.02 %

3мкс

5. Датчики с замкнутой петлей тока

Одним из вариантов датчиков на основе эффекта Холла являются датчики с замкнутой петлей тока. Датчики с замкнутой петлей усиливают выход датчика Холла для управления током, протекающим через (дополнительную) обмотку проводника вокруг сердечника. Магнитное поле, создаваемое (дополнительным) проводником, направлено в противоположную сторону по сравнению с полем, создаваемым в проводнике первичным измеряемым током. Эффект обратной связи приводит к тому, что суммарное магнитное поле в сердечнике равно нулю, поэтому этот вид датчиков также называется токовыми датчиками с нулевым балансом. Вторичный ток в катушке является зеркальным по отношению к измеряемому току, уменьшенному на количество витков в катушке. Вторичный ток, проходя через нагрузочный резистор, создает выходное напряжение датчика.
Датчики с замкнутой петлей тока имеют некоторые очень интересные характеристики. Обратная связь имеет очень малое время реакции, типично менее одной микросекунды, полоса пропускания петли около 100 КГц. Эти датчики отличаются высокой точностью с линейностью лучше 0.1 %. Все эти параметры превышают те, которые могут быть получены в обычных датчиках с разомкнутой петлей. Однако более высокая цена, большие размеры и повышенный ток потребления датчиков с замкнутой петлей должен быть оправдансоответствующей областью применения, где необходима высокая точность и скорость.
Датчик с замкнутой петлей тока включает несколько дополнительных компонент по сравнению с обыкновенным линейным датчиком. Электронная схема обратной связи (рисунок 5) содержит операционный усилитель и катушку обратной связи, которые являются главными дополнительными компонентами.


Рисунок 8. Электронная схема обратной связи.

Первичный измеряемый ток Ip , протекающий по проводнику внутри сердечника, создает в нем магнитный поток, как и в датчике с открытой петлей. Сердечник собран из тонких, плотно упакованных металлических пластин, что повышает рабочую частоту устройства. Датчик Холла, расположенный в зазоре сердечника, измеряет величину магнитного потока в сердечнике. Выходное напряжение датчика, как и в датчике с разомкнутой петлей, пропорционально величине тока Ip . Выходной сигнал датчика Холла усиливается в схеме обратной связи. Выходной ток усилителя в схеме обратной связи Is создает в катушке обратной связи вторичное магнитное поле. Величина этого вторичного магнитного поля равна произведению тока Is на число витков вторичной катушки Ns . Магнитное поле вторичной катушки компенсирует магнитное поле первичного тока, так что суммарное поле равно нулю.
Выходным сигналом датчика Холла с замкнутой петлей является вторичный ток Is . Когда этот ток проходит

нагрузочный (измерительный) резистор, на последнем формируется выходное напряжение, пропорциональное первичному измеряемому току. Постоянный, переменный или импульсный ток могут быть одинаково измерены, причем с сохранением формы первичного тока. Величина нагрузочного (измерительного) резистора в наибольшей степени влияем на максимальную величину тока, который может быть измерен.
Выходной ток Is не равен точно нулю при нулевом входном токе Ip . Причиной этого является небольшой ток сдвига операционногоусилителя и датчика Холла. Типичная величина ошибки равна ± 0.2мА. Случайные искажения могут иметь место, при измерении большой величины постоянного тока, когда датчик находится в нелинейной области. Дрейф величины тока возможен из-за дрейфа операционного усилителя и датчика Холла с температурой на величину примерно ± 0.35мА.

6. Механические переключатели с датчиком Холла

Механические (плунжерные) переключатели объединяют удобство механического устройства с надежностью твердотельных электронных устройств. Эти переключатели состоят из магнита, соединенного с подвижной частью (плунжером) и датчика Холла, жестко укрепленного на корпусе. С точки зрения пользователя твердотельный ключ имеет те же самые характеристики, что и обычный механический ключ мгновенного действия. Отличительные черты твердотельного устройства - высокая надежность, бесконтактность действия, совместимость с микропроцессорами.
Магнит, размещенный на плунжере, активирует цифровой выход датчика Холла. В нормальном состоянии, когда магнит находится вдали от корпуса, датчик находится в положении «выключено». При нажатии на плунжер магнит приближается к датчику и последний переходит в состояние «включено». Такой тип ключа определяется как нормально выключенный. Нормально включенный ключ получается при замене полюсов магнитной пары.


Рисунок 9. Механический переключатель с датчиком Холла.

Механические переключатели с датчиками Холла имеют следующие основные характеристики:
Максимальное расстояние, которое проходит плунжер из свободного состояния до рабочей точки (≈2 мм).
Положение плунжера по отношению к фиксированной точке, где датчик изменяет свое состояние (≈14 мм).
Минимальное расстояние, которое плунжер может пройти после рабочей точки (≈1 мм).
Максимальное расстояние между точками включения и выключения (≈0.3 мм)
Заключение

Теория эффектаХолла 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
2. 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.
3. 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