Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Датчик Холла — измерительный преобразователь, формирующий выходное напряжение, пропорциональное магнитной индукции в зоне чувствительного элемента. В основе работы — физический эффект, открытый Эдвином Гербертом Холлом в 1879 году: в тонкой проводящей или полупроводниковой пластине с током, помещённой в перпендикулярное магнитное поле, на боковых гранях возникает поперечная разность потенциалов (ЭДС Холла). Эта зависимость линейна по индукции и току через пластину, что делает её удобной измерительной характеристикой. На основе эффекта Холла строят бесконтактные датчики магнитного поля, тока, положения, скорости и угла поворота; в современной микроэлектронике чувствительный элемент изготавливают как часть интегральной микросхемы вместе с усилителем, стабилизатором питания и выходным каскадом. Так работает датчик Холла — компактный, бесконтактный, не подверженный механическому износу и пригодный для широкого диапазона задач — от регистрации частоты вращения коленчатого вала до точной токоизмерительной техники в силовой электронике.
Если через тонкую токопроводящую пластину пропустить ток вдоль одного направления, а перпендикулярно плоскости пластины приложить магнитное поле с индукцией B, то на свободные носители заряда подействует сила Лоренца, направленная поперёк потока и поля. Носители отклоняются к одной из боковых граней пластины, накапливаясь на ней и оставляя противоположную грань с избыточным зарядом противоположного знака. Между боковыми гранями возникает поперечная разность потенциалов — ЭДС Холла. В установившемся режиме созданное на гранях электрическое поле уравновешивает силу Лоренца, и накопление зарядов прекращается.
ЭДС Холла в общем виде: UH = RH · I · B · sin α / d, где RH — постоянная (коэффициент) Холла, зависящая от материала, м³/Кл; I — управляющий ток через пластину, А; B — модуль индукции магнитного поля, Тл; α — угол между вектором индукции и плоскостью пластины (при перпендикулярном поле sin α = 1); d — толщина пластины в направлении поля, м.
UH = RH · I · B · sin α / d
RH
I
B
α
d
Постоянная Холла для проводника с одним типом носителей: RH = 1 / (n · q), где n — концентрация носителей заряда, 1/м³; q — заряд носителя, Кл. У полупроводников концентрация носителей на много порядков ниже, чем у металлов; именно поэтому ЭДС Холла у полупроводниковой пластины значительно больше при тех же токе, индукции и толщине.
RH = 1 / (n · q)
n
q
Полупроводниковая пластина даёт ЭДС Холла во много раз большую, чем металлическая той же геометрии при том же токе и индукции — за счёт меньшей концентрации носителей заряда.
В простейшем виде датчик Холла представляет собой тонкую полупроводниковую (реже металлическую) пластину прямоугольной формы с четырьмя контактами: два — для подачи управляющего тока, два — для съёма ЭДС Холла. Чтобы получить полезный измерительный сигнал, чувствительный элемент дополняют:
Современные «интеллектуальные» микросхемы Холла дополнительно реализуют программируемую чувствительность, цифровые шины (например, типа SPI или I²C), интерфейсы PWM, защиту от обратной полярности и перенапряжений, самодиагностику. Чувствительный элемент изготавливается по стандартной КМОП-технологии вместе с электронной частью на одном кристалле, что обеспечивает массовое производство и низкую цену готовых датчиков.
Чувствительность датчика к индукции напрямую зависит от постоянной Холла материала. У полупроводников она на несколько порядков больше, чем у металлов; среди полупроводников применимы материалы с высокой подвижностью носителей и подходящей шириной запрещённой зоны.
В практике подавляющее большинство массовых датчиков Холла промышленного, бытового и автомобильного назначения выполнено на кремнии в виде интегральной микросхемы — это даёт лучшее соотношение чувствительности, стабильности, температурной компенсации и стоимости. Соединения А3В5 (GaAs, InSb, InAs) применяют там, где требуются повышенная чувствительность и температурный диапазон.
По характеру выходного сигнала интегральные датчики Холла делятся на две большие группы.
На выходе формируется напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля в зоне чувствительности. Зависимость линейна в нормированном диапазоне индукции; чувствительность задаётся в мВ/мТл (или мВ/Гс) и приведена в технической документации. Точка нулевого поля выводится в середину диапазона питания, что позволяет работать с двунаправленным полем (положительным и отрицательным относительно базовой плоскости) без двуполярного питания. Применяется там, где требуется измерение значения индукции, тока, угла, перемещения или малого зазора с плавной выходной характеристикой.
Содержит на одном кристалле компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта); выход переключается между двумя логическими уровнями при пересечении индукцией заданных порогов. Используется для бесконтактной коммутации, регистрации события, счёта импульсов, индикации положения и наличия магнита. Цифровые исполнения далее делятся:
Дополнительно микросхемы делятся по конструкции чувствительного элемента: планарные (Hall plate в плоскости кристалла, чувствительны к полю, нормальному к корпусу) и вертикальные (чувствительны к полю в плоскости корпуса). Комбинация нескольких чувствительных элементов в одном корпусе даёт двух- и трёхосевые датчики магнитного поля для задач определения угла и пространственной ориентации.
Прямое назначение датчика Холла — измерение магнитной индукции. На этом принципе построены лабораторные и промышленные тесламетры (гауссметры), магнитометры, измерители полей в зазорах постоянных магнитов и электромагнитов, средства контроля намагничивания изделий, дефектоскопы магнитного неразрушающего контроля.
В магнитном неразрушающем контроле метод регистрации магнитных полей рассеяния преобразователями Холла стандартизован как «магнитополупроводниковый метод» по ГОСТ 24450, а дефектоскопы соответствующего типа — как «дефектоскопы на преобразователях Холла».
Калибровка тесламетра и поверка средств измерений магнитной индукции выполняются по эталонам магнитной индукции и методикам поверки конкретных типов приборов — без поверенных средств измерений количественная оценка индукции является ориентировочной.
Ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле. Поместив датчик Холла в это поле — в зазоре магнитопровода, охватывающего проводник, — получают измерительный преобразователь тока. По схеме измерения такие преобразователи делятся на две группы.
Преимущество датчиков тока на эффекте Холла перед классическими токовыми трансформаторами — измерение постоянного и переменного тока в одном приборе с гальванической развязкой первичной цепи от измерительной. Перед измерительным шунтом — отсутствие гальванической связи и независимость точности от рассеиваемой мощности на самом измерительном элементе.
При движении магнита (или ферромагнитного объекта в постоянном поле смещения) относительно неподвижного датчика Холла индукция в зоне чувствительности изменяется по предсказуемому закону. Это даёт серию задач бесконтактного измерения механических величин:
Сам полупроводник, на котором изготовлен датчик Холла, чувствителен к температуре: меняется концентрация и подвижность носителей, а с ними — постоянная Холла, сопротивление пластины и характеристики усилителя. Без компенсации эти изменения проявляются как:
В интегральных датчиках компенсация заложена в кристалл: встроенный термодатчик корректирует коэффициент усиления, прецизионный опорный источник обеспечивает стабильность нуля. Для прецизионных применений применяются специальные методы:
Эти приёмы делают современный интегральный датчик Холла применимым в широком температурном диапазоне (типично до десятков градусов выше и ниже комнатной температуры в массовых исполнениях, и шире — в автомобильных и промышленных) с малой нестабильностью чувствительности и нуля.
В тонкой полупроводниковой пластинке течёт небольшой постоянный ток. Когда рядом появляется магнитное поле, перпендикулярное плоскости пластинки, носители заряда отклоняются в сторону одной из граней. Между гранями возникает поперечная разность потенциалов — ЭДС Холла. Чем сильнее поле, тем больше напряжение. Этот сигнал усиливают и стабилизируют по температуре в той же микросхеме и выдают наружу — либо как аналоговое напряжение, либо как переключаемый цифровой уровень.
Эффект открыт американским физиком Эдвином Гербертом Холлом в 1879 году в ходе экспериментов с тонкой золотой пластиной в магнитном поле. Практическое применение эффекта стало возможным позже — с развитием полупроводниковой техники, поскольку у металлов ЭДС Холла очень мала. Массовое производство интегральных датчиков Холла на кремнии относится ко второй половине XX века.
Геркон — это механический контакт в стеклянной колбе, замыкающийся при поднесении магнита. У него есть подвижные контакты, ресурс ограничен износом и дребезгом, есть искрообразование. Индуктивный датчик регистрирует изменение индуктивности катушки при приближении металлического предмета — он не работает с постоянным полем и для коммутации требует переменного намагничивания. Датчик Холла — полупроводниковый, без подвижных частей, работает с постоянным и переменным полем, выдаёт стабильный электронный сигнал и может быть линейным.
Проводник с измеряемым током пропускают через окно ферромагнитного магнитопровода; в зазоре магнитопровода помещают датчик Холла. Магнитное поле в зазоре пропорционально току, и выход датчика после усиления даёт сигнал, пропорциональный току. В прецизионной (компенсационной) схеме сигнал датчика Холла управляет встречным током компенсационной обмотки, а измеряемой величиной служит компенсационный ток — это даёт высокую линейность и температурную стабильность.
Аналоговый (линейный) выдаёт напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля в зоне чувствительности; шкала линейна в нормированном диапазоне. Используется для измерения значения поля, тока, угла, перемещения. Цифровой содержит компаратор с гистерезисом и выдаёт два логических уровня — переключается, когда индукция пересекает порог. Используется для бесконтактной коммутации, регистрации событий, счёта импульсов, индикации положения и наличия магнита.
Это цифровой датчик с двумя порогами — для южного и северного полюса. Южный полюс переключает выход в один уровень и фиксирует его; вернуть выход в исходное состояние можно только северным полюсом, и наоборот. Латчи применяются в бесколлекторных электродвигателях для определения положения ротора и алгоритма коммутации обмоток, в шаговых и серво-приводах, в счётных устройствах с двунаправленным магнитным возбуждением.
Тесламетр (гауссметр) измеряет магнитную индукцию в зоне измерительного зонда с датчиком Холла внутри. Применяется для контроля магнитных полей в зазорах постоянных магнитов, электромагнитов, в магнитных системах двигателей и трансформаторов, для оценки магнитных полей рассеяния в дефектоскопии. Для метрологически значимых измерений тесламетр должен быть поверен по утверждённой методике.
Бесколлекторные электродвигатели (BLDC) и серво-приводы — определение положения ротора; антиблокировочные системы (АБС) автомобилей — счёт оборотов колеса; системы зажигания и впрыска — датчики коленчатого и распределительного вала; измерение тока в инверторах, преобразователях частоты, тяговых приводах и системах накопления энергии; гауссметры и магнитометры; бесконтактные кнопки и концевые выключатели в бытовой технике и оборудовании; датчики уровня жидкости с поплавковым магнитом; датчики угла поворота руля; магнитные дефектоскопы.
Применяют экранирование чувствительной зоны магнитомягким материалом, ориентируют датчик так, чтобы помеха была вне его чувствительной плоскости, используют пары и тройки чувствительных элементов с дифференциальной обработкой (внешнее однородное поле компенсируется), а в прецизионных задачах — компенсационную схему и интегральные методы (current spinning, chopper-stabilization), снижающие чувствительность к низкочастотным помехам и собственному дрейфу.
Потому что постоянная Холла обратно пропорциональна концентрации носителей заряда, а у металлов концентрация на несколько порядков выше, чем у полупроводников. При одной и той же геометрии и токе ЭДС Холла у полупроводниковой пластины на несколько порядков больше. Это даёт чувствительный, стабильно усиливаемый сигнал. Дополнительно, кремниевая технология позволяет интегрировать на одном кристалле весь измерительный тракт: пластину, стабилизатор тока, усилитель, компенсацию и выходной каскад.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.