„Hall“ poveikis: principai, programos ir jutiklių technologija

„Hall“ efektas yra pagrindinis elektromagnetinis reiškinys, atsirandantis, kai srovės nešantis laidininkas dedamas į statmeną magnetinį lauką, sukuriantį išmatuojamą įtampos skirtumą per laidininką.Šis principas vaidina lemiamą vaidmenį įvairiose programose, pradedant nuo magnetinio lauko jutimo iki padėties ir greičio aptikimo.„Hall Effect“ jutikliai, paprastai gaminami iš puslaidininkių medžiagų, tokių kaip „GaaS“ ir „INSB“, paversti magnetinio lauko variantus į elektrinius signalus, leidžiančius juos naudoti automatizavimo, automobilių sistemose ir pramoninėje valdyme.Norint panaudoti savo galimybes šiuolaikiniame elektroniniu dizainu, būtina suprasti „Hall Effect“ pagrindinę fiziką ir realaus pasaulio programas.

Katalogas

Išsami salės efekto analizė

Salės efektas pasireiškia, kai įkrauti subjektai, pirmiausia elektronai, naršo per tuo pačiu metu vykstančius elektrinius ir magnetinius laukus, todėl laidininko aptinkamas įtampos skirtumas.Norint visiškai įvertinti salės efektą, būtina ištirti jo elgesį įvairiose aplinkose.Puslaidininkiuose poveikį labai formuoja krūvio vežėjų pobūdis.Priešingai, metaluose tokie veiksniai kaip elektronų tankis ir mobilumas vaidina kritinį vaidmenį nustatant gautą salės įtampą.Įžvalgos, gautos iš kontroliuojamų eksperimentinių parametrų, gali pagrįsti šias teorines perspektyvas.

Hallo efekto principas

Kai laidžioji plokštė yra prijungta prie baterijos varomosios grandinės, per ją pradeda tekėti elektros srovė.Įkrovos nešėjai medžiagos viduje - elektronai tipiniame laidininke - tiesiai iš vieno plokštelės galo į kitą eina tiesiu keliu.Keliaudami jie sukuria nedidelį magnetinį lauką aplink savo judėjimą.

Jei šalia laidžiosios plokštės dedamas išorinis magnetas, jo magnetinis laukas sąveikauja su esamu judančių krūvio nešiklių lauku.Tai sutrikdo vienodą nešiklių judėjimą, todėl jie nukrypsta nuo tiesiojo kelio.Šis nuokrypis atsiranda dėl Lorentzo jėgos, kuri stumia judančius krūvio nešėjus statmena jų greičiui ir taikomam magnetiniam laukui.

Dėl to įkrovimo laikikliai kaupiasi priešingose ​​plokštelės pusėse.Teigiamai įkrautos skylės pasislenka link vieno krašto, o neigiamai įkrauti elektronai juda link priešingo krašto.Šis krūvio atskyrimas sukuria potencialo skirtumą tarp abiejų plokštelės pusių, vadinamų salės įtampa.Šią įtampą galima išmatuoti voltmetru, leidžiančiu aptikti išorinio magnetinio lauko buvimą ir stiprumą.

Žemiau yra iliustracija, kaip įvyksta šis reiškinys:

Suprasti magnetinę sąveiką salės efekte

Eksperimente „Hall Effect“ magnetinis laukas yra naudojamas statmenai laidžiai plokštelei.Diagramoje tai vaizduoja mėlyna rodyklė, pažymėta B. Šio magnetinio lauko stiprumas turi įtakos salės įtampos dydžiui.

Remiantis „Hall Effect“ principu, kai srovės nešantis laidininkas ar puslaidininkis dedamas į statmeną magnetinį lauką, per laidininką vystosi įtampa stačiu kampu iki srovės srauto.

Ši diagrama iliustruoja ryšį tarp magnetinio lauko, srovės krypčių ir salės įtampos:

„Hall Effect“ jutiklis ir jo veikimas

Hallo efekto jutiklis nustato magnetinio lauko buvimą ir sukuria išėjimo įtampą, pagrįstą lauko intensyvumu.Ši išėjimo įtampa, žinoma kaip salės įtampa (V_H), susidaro, kai jutiklis supantis magnetinio srauto tankis viršija tam tikrą slenkstį.

Pagrindinis „Hall Effect“ jutiklio komponentas yra mažas stačiakampis puslaidininkinės medžiagos gabalas.Dažniausiai naudojamos medžiagos yra::

Gallium arsenide (GaAs)

Indio antimonidas (INSB)

Indio arsenidas (INAS)

Šie puslaidininkiai pasirenkami, nes jie pasižymi stipru salės efektu ir leidžia tiksliai nustatyti magnetinį lauką.

Kai jutikliui uždedama nuolatinė srovė ir yra magnetinis laukas, salės įtampa (V_H) išsivysto per puslaidininkį.Tada šią išvestį galima apdoroti elektroninėmis grandinėmis, kad būtų galima nustatyti taikomo magnetinio lauko stiprumą ir poliškumą.

Ši schema iliustruoja „Hall Effect“ jutiklio vidinę struktūrą ir veikimą:

„Hall Effect“ jutiklis: funkcionalumas ir praktinis taikymas

Hallo efekto jutiklis veikia aptinkant magnetinius laukus ir paverčiant juos elektriniais signalais.Paprasčiausia forma jis veikia kaip analoginis jutiklis, sukuriantis įtampos išėjimą, kuris skiriasi priklausomai nuo magnetinio lauko stiprumo.Atstumą tarp jutiklio ir salės plokštės galima įvertinti naudojant žinomą magnetinį lauką, todėl jis yra naudingas padėties jutimui.

Išanalizavus jutiklio išvestį, galima nustatyti santykinę magnetų padėtį.Šis principas dažniausiai naudojamas sukamuose kodavimo įrenginiuose, kur per jutiklį praeina besisukantis komponentas su įterptais magnetais.

„Hall Effect“ jutikliai skaitmeniniame režime (perjungimo režimas)

Nors „Hall Effect“ jutikliai dažnai naudojami analoginiuose programose, jie taip pat gali veikti skaitmeniniu (įjungimo/išjungimo) režimu, kai jie yra integruoti su perjungimo schema.Šioje konfigūracijoje jie veikia kaip „Hall Effect“ perjungimai, kai išvestis perjungia aukštų ir žemų būsenų, priklausomai nuo magnetinio lauko buvimo.

Pavyzdžiui, automobilių uždegimo sistemose „Hall Effect“ perjungia alkūninio veleno padėtį, siunčiant impulsus į variklio valdymo bloką (ECU).Ši programa reikalauja greito reagavimo laiko ir tikslaus perjungimo elgesio, kad būtų užtikrintas tikslus uždegimo laikas.

Žemiau esanti schema iliustruoja, kaip Hallo efekto jungiklis veikia reaguojant į besisukantį magnetą:

Išėjimo pavaros galimybių gerinimas

Daugelyje „Hall“ efektų jutiklių yra maža išėjimo pavaros talpa, paprastai nuo 10 iki 20 mA, o tai riboja jų sugebėjimą tiesiogiai perjungti didelės galios apkrovas, tokias kaip varikliai ar relės.Norėdami tai įveikti, į išvestį pridedamas NPN tranzistorius su atvirojo kolektoriaus konfigūracija.

Kai magnetinio srauto tankis viršija iš anksto nustatytą slenkstį, įjungia NPN tranzistorius, ištraukdamas išėjimo gnybtą į žemę ir leisdamas srovei tekėti per išorinę grandinę.

Ši sąranka leidžia jutikliui efektyviai vairuoti reles, variklius, šviesos diodus ir šviesas.

Plaukimo išėjimo konfigūracijoje tranzistorius gali būti atviras, atviras kolekcionierius arba abu, atsižvelgiant į programą.

Žemiau yra „Hall Effect“ jungiklio grandinės schema, rodanti, kaip ji sąveikauja su išorinėmis apkrovomis:

„Hall Effect“ jutiklio išėjimų tipai: analoginis ir skaitmeninis

„Hall Effect“ jutikliai turi linijinius (analoginius) arba skaitmeninius išėjimus, kurių kiekvienas skirtas skirtingoms programoms:

Analoginiai (linijiniai) išvesties jutikliai

Išėjimo įtampa nuolat kinta atsižvelgiant į magnetinio lauko stiprumą.

Stipresni magnetiniai laukai padidina įtampą, o silpnesni laukai jį sumažina.

Dažniausiai naudojamas stebint padėties, srovės matavimus ir skysčių srauto stebėjimą.

Skaitmeniniai išvesties jutikliai

Išėjimas perjungia aukštų ir žemų būsenų, veikiančių kaip įjungimo/išjungimo jungiklį.

Idealiai tinka aptikti greičio aptikimą, artumo jutimus ir bekontaktes perjungimo programas.

Linijinio salės efekto jutiklyje išvesties signalas sustiprina veikimo stiprintuvu (OP-AMP).Didėjant magnetinio lauko intensyvumui, išėjimo įtampa didėja, kol ji pasiekia maitinimo šaltinį, kur jis prisotinamas.Šiuo metu bet koks tolesnis magnetinio lauko padidėjimas neturi įtakos išėjimo įtampai.

Hallo jutiklio matavimo metodas

Hallo efekto jutikliai veikia nustatant magnetinio lauko pokyčius, kai magnetas juda šalia jų.Daugelyje praktinių pritaikymų, norint suaktyvinti salės efekto jutiklį, gali būti naudojamas vienas nuolatinis magnetas, pritvirtintas prie besisukančio veleno, slenkančio komponento ar mechaninės struktūros.Magneto judėjimas nustato, kaip jutiklis nustato pokyčius magnetiniame lauke.

Įprasti judesių tipai apima:

Priekinis judėjimas - magnetas juda tiesiai į jutiklį arba toliau.

Šoninis judėjimas - magnetas slenka pro jutiklį į šoną.

„Push-Pull“ judesys-magnetas svyruoja pirmyn ir atgal.

„Push-Push“ judesys-magnetas pakaitomis pakaitomis tarp dviejų fiksuotų padėčių.

Norint užtikrinti tikslų aptikimą, magnetinio srauto linijos turi būti išlygintos statmenai jutiklio jutimo sričiai ir turėti teisingą poliškumą.Jei išlyginimas išjungtas, jutiklio atsakas gali būti silpnas arba nepatikimas.

Norint nuosekliai linijiniam išėjimui, rekomenduojamas aukšto stiprumo magnetas.Kuo stipresnis magnetas, tuo didesnis aptikto lauko stiprumo pokytis, pagerindamas matavimo tikslumą.Tarp įvairių judesių aptikimo būdų priekinis aptikimas ir šono aptikimas yra dažniausiai naudojamos konfigūracijos.

Priekinio aptikimo metodas

Kaip rodo pavadinimas, priekinis aptikimas reikalauja, kad magnetinis laukas būtų orientuotas statmenai aktyviam salės jutiklio veidui.Magnetas turi judėti link jutiklio arba nutolti nuo jo, kad būtų išmatuojamas įtampos pokyčiai.Ši sąranka dažniausiai naudojama nustatant padėties ir artumo aptikimą.

Linijinio salės efekto jutiklyje išėjimo įtampa tiesiogiai atitinka aptikto magnetinio lauko stiprumą.Kai magnetas juda arčiau, jutiklio išėjimas didėja.Kai magnetas pasitraukia, išėjimas mažėja.

Pagrindinis šio metodo pranašumas yra tas, kad galima atskirti teigiamus ir neigiamus magnetinius laukus.Tai leidžia naudoti tokias programas kaip:

Tikslūs atstumo matavimai

Artumo jutimas

Objekto padėties nustatymas

Netiesiniams salės jutikliams išvestį galima sukonfigūruoti įjungti arba išjungti, kai magnetas pasiekia iš anksto nustatytą oro tarpo atstumą.Dėl to jis yra naudingas tokiose programose kaip ribiniai jungikliai ir bekontakčiai suaktyvinimai.

Šono aptikimo metodas

Kitas dažnas matavimo metodas yra šono aptikimas (dar vadinamas šoniniu ar slydimo aptikimu).Šioje sąrankoje magnetas juda į šoną per salės jutiklio paviršių, o ne link jo.Ši technika yra plačiai naudojama rotacijos greičio matavimui ir judesio stebėjimui.

Verpimo magnetas arba besisukantis variklio velenas, einantis per Hall efekto jutiklį, gali sugeneruoti impulsų traukinį, atitinkantį jo greitį.Kiekvieną kartą, kai magnetas kerta jutiklį, keičiasi išėjimo įtampa, sukuriant signalą, kurį galima išanalizuoti siekiant nustatyti sukimosi greitį ar padėtį.

Priklausomai nuo to, kaip magnetinis laukas sąveikauja su jutikliu, išėjimas gali būti teigiamas arba neigiamas.Kai magnetinis laukas kerta jutiklio nulinio lauko vidurio liniją, įtampa perjungia poliškumą.Tai leidžia jutikliui aptikti:

Kryptinis judėjimas (kairė/dešinė arba aukštyn/žemyn).

Magneto orientacijos pokyčiai.

Greičio pokyčiai besisukančiose sistemose.

Šis metodas yra idealus tokioms programoms kaip:

Sukamieji kodavimo įrenginiai

Variklio greičio jutimas

Stumdomos padėties stebėjimas

Hallo efekto jutiklis kaip padėties detektorius

„Hall Effect“ jutikliai gali būti sujungti su elektros grandinėmis įvairiais būdais, atsižvelgiant į tai, ar jie yra skaitmeniniai (perjungimo), ar linijiniai (analoginiai) jutikliai.Žemiau yra paprasta padėties detektoriaus grandinė, kurią lengva sukurti, ir parodo, kaip veikia salės jutiklis.

Kai nėra magnetinio lauko, priekinės padėties detektorius išlieka išjungtas.LED lieka neapšviestas, nurodydamas, kad nėra aptikimo.

Artėjant nuolatinio magneto pietiniam poliui artėjant prie Hall efekto jutiklio aktyvaus jutimo srities, jutiklis įjungiamas.LED užsidega aukštyn, parodydamas sėkmingą magnetinio lauko aptikimą.

Suaktyvėjęs jutiklis išlieka įjungtas tol, kol magnetinis laukas yra diapazone.Pašalinus magnetą arba viršijant jutiklio jautrumo diapazoną, jis vėl išjungs.

Ši sąranka yra plačiai naudojama:

Riboti pramonės automatizavimo jungikliai

Bekontakčiai durų jutikliai

Padėties stebėjimas mechaninėse sistemose

Salės jutiklių pranašumai ir iššūkiai

Privalumai

„Hall“ jutikliai pasižymi įspūdingai patikimomis elektroninio perjungimo galimybėmis, kurios juos skiria nuo mechaninių alternatyvų, ypač esant aukštesniams dažniams.Jų kietojo kūno dizainas pašalina kontaktinius atšokimo problemas, kurios gali būti varginančios atliekant elektronines operacijas.Be to, jie yra skirti aplinkos sandarinimui, užtikrinant nuoseklų našumą reikalaujančiomis sąlygomis, tokiomis kaip ekstremali temperatūra ir didelė drėgmė.

Šie jutikliai sumaniai matuoja įvairius magnetinius laukus, įskaitant skirtingas polines orientacijas.Dėl to jie randa didelį pritaikymą tokiose vietose kaip automobilių technologijos ir pramoninė automatizavimas.„Hall“ jutiklių raida atspindi platesnį jutiklių technologijos judėjimą, siekiant padidinti tvirtumą ir sumažėjusį dydį.Pramonės įmonės naudojasi šiomis tendencijomis, integruodamos kompaktišką ir išskirtinai patvarų salės jutiklių pobūdį, kad sustiprintų sistemos efektyvumą ir patikimumą.Šis didėjantis susidomėjimas tvirtu ir pritaikomomis jutiklių sistemomis skatina nuolatinį pažangą šioje srityje.

Iššūkiai

Tačiau kai tikslumas yra labai svarbus, salės jutikliai susiduria su tam tikrais apribojimais.Jie nėra tokie tikslūs kaip „Fluxgate“ ar „MagnetoreSisistive“ jutikliai, todėl reikia kruopštaus dreifo kompensacijos, kad būtų užtikrintas ištikimybė atliekant matavimus.Šis reikalavimas padidina sistemos projektavimo sudėtingumą ir gali paveikti bendrą duomenų patikimumą kritinėse programose.Inžinieriai, naudodamiesi salės jutikliais, turi kruopščiai apsvarstyti išlaidų, dydžio ir tikslumo kompromisus, ypač laukuose, kur tikslumas yra būtinas, pavyzdžiui, aviacijos ir kosmoso ir pažengusiųjų tyrimų laboratorijos.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Koks yra salės efektas?

Salės efektas atsiranda, kai elektros srovė teka per laidininką, įdėtą į statmeną magnetinį lauką, sukuriant įtampos skirtumą per laidininką.Ši salės įtampa sukuriama dėl jėgos, veikiančios įkrovos nešiklius, o tai stumia juos į priešingas puses.Poveikis naudojamas magnetiniams laukams matuoti ir seka kairiosios pusės taisyklę, kad būtų galima analizuoti kryptį.

2. Kokie yra „Hall Effect“ pritaikymai?

„Hall Effect“ įtaisai yra plačiai naudojami magnetinio lauko jutikliuose, srovės matavimuose ir padėties aptikime.Jie tarnauja kaip pagrindiniai komponentai keičiant elementus, bekontakčius jutiklius ir greičio aptikimo sistemas.Programos apima automobilių sistemas, pramoninę automatizavimą, robotiką ir elektroninius prietaisus, kad būtų galima tiksliai judėti ir valdyti lauką.

3. Kaip išbandyti salės jutiklį funkcionalumui?

Norėdami patikrinti linijinį salės jutiklį, prijunkite jį prie maitinimo šaltinio ir voltmetro.Lėtai priartinkite magnetą prie jutiklio.Jei išėjimo įtampa didėja arba mažėja sklandžiai, jutiklis veikia teisingai.Jei įtampa nesikeičia, jutiklis gali būti sugedęs arba pažeistas.Nereaguojantis jutiklis gali reikšti vidinį gedimą arba sulaužytą grandinės jungtį.