Датчики холла.

Зашел тут как то разговор про теорию различных ништяков, например датчиков холла, термопар и.т.д. Решено: быть серии статей по теории.
Отмазки:
Зачем: да, конечно можно использовать любое устройство по принципу черного ящика, знать когда применять, как подключить, как снять сигнал. Но профессионал тем и отличается от любителя, что досконально знает то, что использует. Это сильно помогает избежать кучи граблей и подобрать правильное техническое решение. Да и полезно для общего развития.
Как: попробую дать краткую выкладку по каждой из выбранных тем в публицистическом стиле и немного расскажу о применении. Книга замечаний как всегда в комментариях.

Начнем: Первыми на очереди датчики холла.

Однажды (в 1879 г.) один умный дядька (Эдвин Холл) взял тонкую золотую пластинку (2), поместил ее между полюсов мощного магнита (3), пустил по ней ток (1) и померил напряжение между разными ее гранями (между верхней и нижней). Примерно так:Стянуто с ru.wikipedia.org согласно GNU Free Documentation License
И как многие уже заметили оно не оказалось равным нулю. Возникает вопрос: «Почему»? А причина тому — сила Лоренса. Заряженные частицы движутся горизонтально, перпендикулярно магнитному полю, следовательно на них действует сила Лоренса. Электроны под ее действием смещаются вверх -> возникает разность потенциалов и электрическое поле, которое воздействуя на электроны по закону Кулона, компенсирует силу Лоренса.
Тем кто не любит формулы можно немного отдохнуть. Для того что бы описать уравнениями изобразим происходящее:

У нас есть ток I, толщина пластины b, высота a, и виновник торжества: магнитное поле B. Сначала определим напряженность электрического поля [E] в проводнике. Как уже сказано она уравновешивает силу Лоренса, поэтом можем смело приравнивать силу Лоренса и Кулона.

А зная напряженность поля и толщину пластины определим разность потенциалов (т.е. напряжение) и сразу подставим прошлое выражение:

Только вот беда, надо еще определить скорость частиц, но это не сложно, заодно подставим полученное значение в предыдущие и сократим:

1/qn принимается постоянной холла (q — заряд электрона, n — объемная плотность носителей).Таким образом получили выражение

Теперь зная например толщину пластинки, индукцию и постоянную Холла — можно определить ток, или наоборот индукцию через ток. А при необходимости можем узнать тип проводимости и концентрацию носителей заряда, но это уже для ученых.

Попробуем посчитать напряжение в числах. Возьмем вольфрам, при B=1 Тесла, I = 1 A, b = 0.01 мм получим U=11 мкВ. Однако маловато, разберемся почему. Постоянная Холла для металлов имеет порядок 10^-10, и виной тому очень высокая концентрация носителей заряда. Может подобрать другой материал? а почему бы и нет. Возьмем полупроводники, сегодня возможно получить полупроводники с заданной концентрацией носителей, так например для кремния возможна постоянная холла порядка 10^-3. А теперь сделаем пластинку потоньше и: B=1 Тесла, I = 1 A, b = 0.001 получается U=1 В, согласитесь неплохо? А еще поставим усилитель, причем чем ближе к датчику тем лучше, дабы не наловить помех и получим неплохую чувствительность.
Выпускаются датчики холла в интегральном исполнении, как правило совмещен либо с усилителем либо с силовыми ключами.
Преимущества: Нет подвижных частей, линейные характеристики, компактность, герметичность, надежность, в отличии от токовых трансформаторов измеряет индукцию поля а не ее изменение.

Теперь о применении.
А применять этот эффект можно как угодно, насколько хватит фантазии. Чаще всего используют в датчиках положения (кулеры, электронное зажигание, счетчики оборотов, тахометры). Используется для измерения сильных постоянных токов

Можно например сделать импульсный преобразователь напряжения, и определять оптимальный момент открытия — закрытия транзисторов поставив датчик холла на сердечник индуктивности.

Жду замечаний и оценки материала. Стоит ли выкладывать в коллективный блог? О чем стоит рассказать в следующей статье? В качестве возможных тем: работа полевого транзистора, элемент Пельтье, он же термопара, или трактат о вихревых расходомерах.
Еще есть прекрасная возможность рассказать про некоторые ништяки из теории автоматического управления, например про методы настройки ПИД регулятора, ибо эта темя в интернете совершенно не освещена.

Замечания в первую очередь.
  • +10
  • 12 июня 2011, 03:59
  • goluga

Комментарии (18)

RSS свернуть / развернуть
хорошо, но маловато, побольше бы примеров использования. ну и перемести в теорию.
0
Как-раз практика применения этих датчиков более-менее описана. У Ди и у Медведа вроде были про это статьи.
0
практики, в отличии от теории, много не бывает ;-)
0
… есть еще такое высказывание:
нет ничего практичней чем хорошая теория
:))
0
Статьи с теорией, написанные человеческим языком очень даже нужны!
0
Численное значение напряжения очень мало. Например для вольфрама при B=1 Тесла, I = 1 A, b = 0.01 мм получим U=11 мкВ. Измерить такую величину напрямую невозможно, поэтому необходим усилитель. Причем чем ближе к датчику тем лучше, дабы не наловить помех. Поэтому датчики холла выпускаются в корпусах с интегрированным преобразователем.
Дополнительная фишка, ЕМНИП, в том, что интегральные датчики Холла делаются из полупроводника, а в нем заметно выше скорость движения электронов (а значит — и влияние поля на них). Ну и опять же, 0.01мм для микроэлектроники — дофига, что тоже идет на пользу чувствительности. Бывают ЕМНИП даже девайсы без собственного усилителя.
0
  • avatar
  • Vga
  • 12 июня 2011, 09:53
Учтено.
0
В коллективный одназначно. Хорошая статья.
0
О чем стоит рассказать в следующей статье?
Интересно было бы почитать про элемент Пельтье
0
Почему бы не почитать в википедии? Там вполне неплохо рассказано, как оно работает.
0
Vga, человек спросил о чем стоит рассказать в следующей статье, я высказал свое мнение
0
Честно прошу прощения за глупость, стоило проверить наличие статей по этой теме на родственных сайтах. Тема описана Di-HALT ом
easyelectronics.ru/datchik-xolla.html
Тем не менее материал разный, поэтому пускай будет 2 статьй.
0
… вообще-то сила Лоренца это векторное произведение и равна
F = q[E+vB]
… предпологая что внешнее электрическое поле мало (E = 0) относительно внутреннего, можно писать
F = q[vB]
… а раскрывая это произведение получим
F = qvB*sin(v,B)
что озночает что чувствитильность датчика еще зависит от его положения относительно магнитного поля, при sin(v,B) = 90 градусов имеем максимальную чувствительность
0
Я то могу и в дифференциальной форме загнуть, только понятности от этого не добавится. Сути не меняет. Хотя про перпендикулярность датчика правильно подмечено.
0
… нее, усложнять не надо, я просто показал откуда берется синус и какого угла
0
Хотелось бы про настройку ПИД-регулятора статью увидеть, а лучше про подбор аппаратной части для САУ каким-либо процессом
0
По-моему, просто шикарная статья. Мне кажется что статьи по теории гораздо более ценны, чем какой-нить очередной программатор или мигалка-говорилка.
Я когда-то вяло пытался сделать левитатор с использование датчика Холла из кулера. Но из-за нехватки терпения и времени не доделал.
Все же имею планы сделать левитатор с нижним подвесом (грубо говоря, предмет парит над столом). Там как раз эта штукенция очень пригодится.
Спасибо!
0
Ну теория теорией но реальные конечные девайсы-то есть? и именно их надоть юзать!
Вчера вот взял холла с сидюка… он чистый кристалл без ничего…
через 1 килоом 12 вольт подал на одну диагональ, с другой снимаю ноль… поднишу ниодимовый магнит — до 1 вольта разность на другой диагонали… и… оказалось абсолютно пофигу как его подключать… у него нет ни плюса ни минуса ни питания ни замера… абсолютно симметричный кристаллик с выводами…
5 миллиампер ему надоть ограничивать питание и всё… встраиваю я этот датчик в водосчетчик чтоб сделать электронный датчик прохода + получать мгновенные значения потока/расхода воды ну и… просто тот же самый водосчетчик прошедшей через него воды — всё на МК и на ПК :) для огорода и поливной системы незаменимая весч…
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.