Датчики Холла: принцип работы, виды и применение

Датчик Холла позволяет узнать положение детали, не касаясь ее: магнит подъехал, выход переключился, и никакой механики, которая изнашивается. Именно так работают бесконтактные концевики, тахометры, датчики открытия крышки и вся электроника бесколлекторных двигателей. Но у этой простоты есть подвох: поднесли магнит другим полюсом или другой стороной корпуса, и исправный датчик молчит. А еще есть разновидность, которая один раз сработала и больше не отпускает, и это не поломка, а штатное поведение. Разберем принцип, типы датчиков, расположение магнита и схему подключения, посчитаем выход линейного датчика на числах и покажем, как проверить деталь мультиметром.

Содержание

• Что такое эффект Холла
• Как устроен датчик
• Цифровые датчики и гистерезис
• Униполярный, биполярный и омниполярный
• Линейные датчики: расчет выхода
• Датчики тока на эффекте Холла
• Магнит: полюс, сторона, расстояние
• Фронтальный и боковой подход
• Схема подключения и подтяжка
• Параметры, на которые смотрят
• Сравнение с герконом и оптикой
• Где применяют
• Как проверить датчик Холла
• Как выбрать датчик
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Что такое эффект Холла

Пропустим ток через тонкую пластину полупроводника и поместим ее в магнитное поле, направленное поперек пластины. Носители заряда, которые двигались прямо, начнут отклоняться в сторону: на движущийся заряд в магнитном поле действует сила, перпендикулярная и его скорости, и полю.

В результате у одного края пластины зарядов становится больше, у другого меньше, и между краями появляется поперечная разность потенциалов. Ее называют напряжением Холла, и открыто это явление было еще в 1879 году.

Величина этого напряжения пропорциональна и току через пластину, и индукции магнитного поля. Раз ток мы задаем сами и держим постоянным, напряжение оказывается мерой магнитного поля. Именно это и делает эффект полезным.

Практическая тонкость в том, что напряжение Холла крохотное, доли милливольта. Работать с ним напрямую невозможно, поэтому в реальном приборе рядом с чувствительным элементом на том же кристалле стоит усилитель.

Как устроен датчик

Внутри корпуса современного датчика находится не только элемент Холла, но и целая схема обработки.

Чувствительный элемент вырабатывает напряжение, пропорциональное полю. Усилитель поднимает его до рабочего уровня и заодно компенсирует собственное смещение элемента. Дальше пути расходятся.

У линейного датчика усиленный сигнал сразу идет на выход, и напряжение на нем плавно меняется вслед за полем. У цифрового датчика после усилителя стоит компаратор с гистерезисом, который сравнивает сигнал с порогом, и выходной ключ, обычно с открытым коллектором. Про схемы сравнения с порогом подробно написано в статье про операционные усилители и их схемы включения.

Корпуса чаще всего трехвыводные, внешне похожие на маломощный транзистор: питание, общий провод и выход. Плоская сторона корпуса с маркировкой не случайна, и о ней речь пойдет ниже.

Цифровые датчики и гистерезис

Цифровой датчик отвечает на вопрос «магнит рядом или нет» и выдает на выходе логический уровень. Но простое сравнение с одним порогом здесь не годится.

Представим, что магнит медленно приближается и поле проходит порог. Малейшая вибрация или шум качнет сигнал туда-обратно, и выход задребезжит пачкой импульсов вместо одного четкого переключения.

Поэтому у датчика два порога. Порог срабатывания, при котором выход включается, и порог отпускания, который заметно ниже. Разница между ними и называется гистерезисом. Пока поле болтается между порогами, выход не меняется, и переключение выходит однозначным.

Гистерезис означает, что расстояние, на котором датчик срабатывает, и расстояние, на котором он отпускает, различаются. Магнит должен подойти ближе, чтобы включить, и отойти дальше, чтобы выключить. При проектировании механики это надо закладывать: если ход детали меньше зоны гистерезиса, датчик включится и уже не отпустит.

Униполярный, биполярный и омниполярный

Это деление ломает больше всего схем, потому что внешне все три типа одинаковы.

Униполярный. Реагирует только на один полюс магнита, чаще всего на южный. Поднесли нужным полюсом, выход включился, убрали магнит, выход выключился. Самый предсказуемый вариант для простого бесконтактного выключателя. Северный полюс он просто не заметит.

Биполярный, он же защелка. Включается от южного полюса и выключается только от северного. Убрали магнит совсем, а выход остался в прежнем состоянии, потому что переключить его может лишь противоположный полюс. Это не неисправность, а именно то, для чего он сделан: такие датчики стоят в бесколлекторных двигателях, где мимо них по очереди проходят полюса ротора.

Омниполярный. Срабатывает от любого полюса. Удобен, когда ориентацию магнита при сборке никто не гарантирует, например в бытовых датчиках открытия крышки.

 Вывод практический: если датчик сработал один раз и больше не отпускает, прежде чем менять его, проверьте, не защелка ли это. Если наоборот, датчик молчит на исправный магнит, попробуйте поднести его другим полюсом.

Линейные датчики: расчет выхода

Линейный датчик не переключается, а выдает напряжение, пропорциональное индукции поля. Он отвечает не на вопрос «есть или нет», а на вопрос «насколько сильно».

Устроен выход так. При нулевом поле на нем ровно половина напряжения питания. Поле одной полярности поднимает выход выше этой точки, поле противоположной опускает ниже. Чувствительность задается в милливольтах на миллитеслу.

Пример. Датчик питается от 5 вольт, чувствительность 5 мВ на мТл. При отсутствии поля на выходе 5 / 2 = 2,5 вольта. Подносим магнит и создаем поле 100 мТл: выход поднимется на 100 × 0,005 = 0,5 вольта и составит 3,0 вольта. Развернем магнит другим полюсом, и выход опустится до 2,0 вольта.

Отсюда видно и рабочий диапазон. Выход не может уйти выше питания и ниже нуля, значит при данной чувствительности прибор насытится примерно на 500 мТл в каждую сторону. Более сильное поле он уже не различит.

Заводить такой выход обычно приходится на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера. И здесь важно, что точность привязана к питанию: половина питания задает ноль, а значит просадка или пульсации питания напрямую превращаются в погрешность измерения. Как получить чистое питание, разобрано в статье про стабилизаторы напряжения.

Датчики тока на эффекте Холла

Отдельное и очень удобное применение. Любой проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, и если поставить рядом элемент Холла, можно измерить ток, ничего не разрывая.

Главное преимущество это гальваническая развязка: измерительная часть никак не связана с силовой цепью. Второе преимущество в том, что потерь почти нет. Классическая альтернатива, измерительный шунт, всегда вносит в цепь сопротивление и греется, а датчик Холла нет.

Пример расчета. Датчик с чувствительностью 100 мВ на ампер, питание 5 вольт, ноль на 2,5 вольта. Через него идет 5 ампер: выход поднимется на 5 × 0,1 = 0,5 вольта и составит 3,0 вольта. Ток пошел в обратную сторону, и выход опустится до 2,0 вольта. То есть прибор измеряет ток обоих направлений, что для шунта потребовало бы отдельной схемы.

Слабые стороны тоже есть, и о них честно. Датчик имеет собственное смещение нуля, которое плывет от температуры, а еще он реагирует на посторонние магнитные поля, например от соседнего дросселя или силового провода. Поэтому в точных измерениях шунт по-прежнему выигрывает, а датчик Холла берут там, где важнее развязка и отсутствие потерь.

Магнит: полюс, сторона, расстояние

Датчик сам по себе половина системы, вторая половина это магнит, и с ним связаны три практических правила.

Полюс. Униполярный датчик реагирует только на свой полюс. Определить, какой из полюсов магнита нужный, проще всего опытом: поднести обеими сторонами и посмотреть на выход.

Сторона корпуса. Чувствительный элемент лежит в плоскости кристалла, и поле должно подходить к нему с маркированной стороны корпуса. Если поднести магнит с обратной стороны, поле для датчика окажется противоположной полярности, и униполярный прибор промолчит. Это одна из самых массовых причин обращений вида «датчик не работает».

Расстояние. Поле магнита убывает очень быстро: на расстояниях, заметно больших его размеров, спад идет примерно как куб расстояния. Практически это означает, что удвоение зазора ослабляет поле почти на порядок. Поэтому зазор между магнитом и датчиком закладывают с запасом по срабатыванию, а не впритык к порогу.

Добавьте к этому температуру. Неодимовые магниты теряют примерно по одной десятой процента индукции на каждый градус нагрева, и в горячем узле система, настроенная на грани, летом перестанет срабатывать. Магниты для таких задач есть в разделе магнитов каталога Эиком.

Есть и четвертая тонкость, о которой обычно молчат. Датчик Холла реагирует на составляющую поля, перпендикулярную кристаллу, а не на поле вообще. Магнит, поднесенный к боковому торцу корпуса, может создавать в месте расположения элемента поле почти нулевой перпендикулярной составляющей, и датчик промолчит, хотя магнит буквально касается корпуса. Отсюда практическое правило при отладке: если срабатывания нет, сначала попробуйте все четыре комбинации, две стороны корпуса и два полюса магнита, и только потом делайте вывод о неисправности.

Полезно помнить и про экранирование. Стальная пластина между магнитом и датчиком замыкает поле на себя и почти полностью его гасит, а стальная деталь рядом, наоборот, притягивает и искажает линии поля, смещая точку срабатывания. Поэтому узел с датчиком проверяют в сборе, а не на столе с отдельно взятым магнитом.

Фронтальный и боковой подход

Механически магнит подводят к датчику двумя способами, и от выбора зависит характер срабатывания.

Фронтальный подход. Магнит движется прямо на датчик, полюсом вперед. Поле нарастает плавно и монотонно, срабатывание происходит на определенном расстоянии. Так делают концевики и датчики закрытия крышки.

Боковой проход. Магнит проезжает мимо датчика поперек. Поле сначала нарастает, достигает максимума в момент прохождения и снова спадает, то есть датчик выдает короткий импульс на каждый проход. Так считают обороты вала, зубья шестерни и скорость колеса.

Для бокового прохода важно, чтобы поле в максимуме уверенно перекрывало порог срабатывания, иначе на быстром вращении датчик начнет пропускать импульсы. Проверять это надо на рабочей скорости, а не рукой на столе.

Схема подключения и подтяжка

У подавляющего большинства цифровых датчиков выход выполнен по схеме с открытым коллектором. Это означает, что датчик умеет только притягивать выход к общему проводу, а поднимать его вверх не умеет вовсе.

Следствие простое и жесткое: без подтягивающего резистора схема не работает. Без него выход в отпущенном состоянии просто висит в воздухе и ловит наводки, а показания получаются случайными.

Выход с открытым коллектором умеет только притягивать линию к нулю. Подтягивающий резистор это не опция для аккуратности, а обязательная часть схемы: без него датчик физически не может выдать высокий уровень. Если вы видите на выходе случайные показания, начинайте проверку именно с наличия подтяжки.

Типовое решение это резистор 10 килоом между выходом и плюсом питания. Посчитаем ток: при питании 5 вольт через него потечет 5 / 10000 = 0,0005 ампера, то есть полмиллиампера. Для выходного ключа датчика, который обычно держит до 20 миллиампер, это ничтожная нагрузка.

Зато у открытого коллектора есть приятный бонус: подтягивать выход можно к другому напряжению, чем питание самого датчика. Датчик питается от 5 вольт, а выход подтянут к 3,3 вольта, и согласование уровней получается само собой, без преобразователя.

И обязательная мелочь: конденсатор по питанию рядом с датчиком, обычно керамика на 100 нанофарад. Внутри стоит аналоговая схема, и наводки по питанию превращаются в ложные срабатывания.

Параметры, на которые смотрят

• Порог срабатывания и отпускания. Задаются в миллитеслах и определяют, на каком расстоянии от магнита сработает датчик.
• Тип по полярности. Униполярный, биполярный или омниполярный, самый частый источник ошибок.
• Напряжение питания. Массовые приборы работают от 3 до 24 вольт, что удобно в автомобильной технике.
• Выходной ток. Обычно до 20 миллиампер, то есть напрямую нагрузку датчик не питает, для этого нужен транзистор.
• Чувствительность. Для линейных приборов, в милливольтах на миллитеслу.
• Температурный диапазон и дрейф. Критичны в автомобильных и промышленных применениях.
• Частота переключения. Для счета оборотов на высокой скорости.

Сравнение с герконом и оптикой

Отсюда и разделение труда. Геркон удобен там, где питания нет вовсе и надо просто замкнуть цепь, например в охранных датчиках открытия. Оптика годится в чистой среде и различает непрозрачные предметы без магнита. А датчик Холла выигрывает там, где нужна долговечность, высокая частота срабатываний и работа в грязи, масле и пыли. Про механические контакты и их особенности подробно написано в статье про устройство, виды и принцип работы реле.

Где применяют

• Бесконтактные концевики. Крышка закрылась, каретка дошла до края, дверь открыта. Замена механическому концевику там, где важен ресурс.
• Счет оборотов и скорость. Магнит на валу или зубчатое колесо мимо датчика, и получаем тахометр или спидометр.
• Бесколлекторные двигатели. Три датчика-защелки внутри статора сообщают контроллеру положение ротора, чтобы тот вовремя переключал обмотки.
• Измерение тока. С гальванической развязкой и без потерь в силовой цепи.
• Джойстики и педали. Линейные датчики вместо потенциометров: нет трущегося контакта, значит нет износа и грязи в дорожке.
• Определение положения в механизмах. Магнит на подвижной части, датчик на неподвижной, и никакого кабеля к движущемуся узлу.

Как проверить датчик Холла

Проверка требует питания, потому что внутри активная схема. Понадобятся источник на 5 вольт, резистор 10 килоом и магнит.

Шаг 1: собрать схему

Подаем питание на соответствующие выводы, соблюдая цоколевку из даташита. Между выходом и плюсом ставим резистор 10 килоом. Мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения подключаем между выходом и общим проводом.

Шаг 2: измерить без магнита

У цифрового датчика выход должен быть подтянут вверх, то есть прибор покажет напряжение, близкое к питанию. У линейного датчика без поля на выходе будет примерно половина питания, то есть около 2,5 вольта.

Шаг 3: поднести магнит

Подносим магнит к маркированной стороне корпуса. У исправного цифрового датчика выход упадет почти до нуля. Если ничего не произошло, разверните магнит другим полюсом: скорее всего, датчик униполярный, а вы поднесли не тот полюс.

У линейного датчика напряжение плавно поедет вверх или вниз от середины в зависимости от полюса, и это лучшая проверка его исправности.

Если датчик после срабатывания не отпускает при удалении магнита, это почти наверняка защелка, и выключить ее можно только противоположным полюсом. Общие приемы измерений собраны в статье о том, как пользоваться мультиметром.

Как выбрать датчик

1. Определите задачу. Ответ «есть или нет» это цифровой датчик, измерение величины поля или положения это линейный.
2. Выберите тип по полярности. Простой выключатель это униполярный, произвольная ориентация магнита при сборке это омниполярный, двигатель или счетчик полюсов это защелка.
3. Посчитайте зазор. Сопоставьте порог срабатывания с полем магнита на нужном расстоянии и заложите запас, помня о быстром спаде поля и о температурном дрейфе магнита.
4. Проверьте питание. Автомобильная техника требует широкого диапазона, батарейная низкого потребления.
5. Сверьте выходной ток. Прямо нагрузку датчик не питает, для реле или лампы нужен транзистор, о выборе которого написано в статье про виды и принцип работы транзисторов.
6. Учтите температуру. Под капотом и рядом с нагревателями нужен расширенный диапазон.
7. Подберите позицию. Цифровые и линейные приборы собраны в разделе магнитных датчиков на эффекте Холла каталога Эиком, готовые модули положения и скорости в разделе датчиков положения и скорости, а приборы для измерения тока в разделе датчиков тока.

Типичные ошибки

• Забыли подтягивающий резистор. Выход с открытым коллектором без него висит в воздухе, и показания случайны.
• Поднесли магнит не тем полюсом. Униполярный датчик реагирует только на свой полюс и на противоположный не отзовется.
• Поднесли с обратной стороны корпуса. Поле должно подходить со стороны маркировки, иначе его полярность для датчика меняется на противоположную.
• Взяли защелку вместо униполярного. Сработала один раз и больше не отпускает, хотя деталь исправна.
• Настроили зазор впритык к порогу. Нагрев ослабляет магнит, и летом система перестает срабатывать.
• Подключили нагрузку прямо к выходу. Выходной ключ рассчитан на миллиамперы, лампу или реле он не потянет.
• Не поставили конденсатор по питанию. Наводки дают ложные срабатывания, которые ищут в логике программы.
• Не учли соседнее железо. Стальные детали рядом искажают поле и смещают точку срабатывания.
• Не проверили работу на рабочей скорости. При боковом проходе быстрое вращение может давать пропуски импульсов.

Частые вопросы

Почему датчик Холла не реагирует на магнит?

Три самые частые причины. Первая: датчик униполярный, а магнит поднесен не тем полюсом, попробуйте развернуть его. Вторая: магнит подносят не с той стороны корпуса, поле должно подходить со стороны с маркировкой. Третья: нет подтягивающего резистора на выходе, из-за чего показания случайны. Проверьте также, что на датчик подано питание: в отличие от геркона, он без него не работает.

Почему датчик сработал и больше не выключается?

Скорее всего, это биполярный датчик, он же защелка. Такой прибор включается от одного полюса магнита и выключается только от противоположного, а простое удаление магнита его не сбрасывает. Это штатное поведение, рассчитанное на бесколлекторные двигатели и счетчики полюсов. Для обычного бесконтактного выключателя нужен униполярный или омниполярный датчик.

Чем датчик Холла лучше геркона?

У него нет механических контактов, поэтому нет ни износа, ни дребезга, а частота срабатываний ограничена только электроникой. Он спокойно работает в пыли, масле и при вибрации. Взамен ему нужно питание, и коммутировать нагрузку напрямую он не может, выходной ключ рассчитан на миллиамперы. Геркон же питания не требует и замыкает цепь сам, поэтому в простых охранных датчиках его по-прежнему применяют.

Можно ли измерять ток датчиком Холла?

Да, и это одно из основных его применений. Датчик измеряет поле, создаваемое проводником с током, поэтому измерительная часть гальванически развязана от силовой цепи и не вносит в нее потерь, в отличие от шунта. Выход обычно линейный, при нулевом токе он равен половине питания, а ток обоих направлений различается по знаку отклонения. Расплата это собственное смещение нуля, его температурный дрейф и чувствительность к посторонним магнитным полям.

Итог: датчик Холла превращает магнитное поле в напряжение, а дальше все решают три вещи: тип по полярности, сторона корпуса, которой подносят магнит, и подтягивающий резистор на выходе. Цифровой прибор отвечает на вопрос о наличии магнита с гистерезисом, линейный измеряет величину поля с нулем на половине питания, а на этом же принципе работают датчики тока с гальванической развязкой. Датчики на эффекте Холла, модули положения и скорости и магниты к ним есть в разделе датчиков и сенсоров каталога Эиком.

Читать также

• Реле: устройство, виды и принцип работы
• Операционные усилители: принцип работы и типовые схемы включения
• Транзисторы: виды, характеристики и принцип работы
• Оптопары: устройство, принцип работы и гальваническая развязка
• Как пользоваться мультиметром: режимы, прозвонка и проверка деталей