Датчик Холла регистрирует магнитную индукцию и преобразует её в электрический сигнал. В основе работы находится чувствительный элемент, через который проходит ток. Магнитное поле отклоняет носители заряда и создаёт поперечное напряжение Холла.
В готовой микросхеме это напряжение усиливается и обрабатывается. В зависимости от исполнения на выходе появляется плавно изменяющееся напряжение, логическое состояние или цифровые данные. Поэтому название «датчик Холла» описывает принцип измерения, но не определяет тип выхода, пороги, питание и способ подключения конкретной модели.
Возникновение напряжения Холла
Через чувствительную пластину пропускается ток. Когда магнитное поле имеет составляющую, направленную вдоль чувствительной оси, на движущиеся носители заряда действует сила Лоренца. Заряды смещаются к одной стороне пластины, а между её боковыми контактами возникает небольшая разность потенциалов – напряжение Холла.
Знак напряжения зависит от направления магнитного поля и типа носителей заряда. Амплитуда связана с магнитной индукцией, током через чувствительный элемент, геометрией пластины и свойствами полупроводника. В реальном датчике пользователь обычно не измеряет это напряжение напрямую: оно слишком мало и требует усиления, компенсации смещения и защиты от помех.
Эффект Холла позволяет обнаруживать постоянное магнитное поле. Это отличает такой датчик от индукционной катушки, которой для появления напряжения требуется изменение магнитного потока.
Что находится внутри интегрального датчика
Интегральный датчик Холла содержит не только чувствительную пластину. Состав внутренней схемы зависит от класса и модели, но обычно в неё входят:
- источник тока или стабилизатор питания чувствительного элемента;
- усилитель слабого напряжения Холла;
- узлы компенсации смещения и температурного дрейфа;
- фильтр или схема периодического измерения;
- компаратор с гистерезисом для цифровых переключателей;
- аналоговый, двухтактный или открытый выходной каскад;
- защита питания и выхода, если она предусмотрена производителем.
В линейном датчике обработанный сигнал сохраняет информацию о величине и направлении поля. В цифровом переключателе внутренний компаратор сравнивает сигнал с заданными магнитными порогами и выдаёт одно из двух состояний. Наличие конкретных узлов нужно проверять по структурной схеме в даташите.
Как формируется аналоговый и цифровой сигнал
Линейный датчик формирует выход, который изменяется вместе с магнитной индукцией в рабочем диапазоне. У биполярных ратиометрических моделей напряжение без поля часто находится около половины питания, а поля противоположной полярности отклоняют его в разные стороны. Это распространённая архитектура, но не обязательное правило для всех датчиков.
Цифровой переключатель имеет порог срабатывания BOP и порог отпускания BRP. Разница между ними образует магнитный гистерезис. Благодаря ему небольшие колебания поля около границы не должны многократно переключать выход.
Защёлка сохраняет состояние после ухода одного полюса и меняет его при воздействии поля противоположной полярности. Поэтому исчезновение магнита само по себе может не вернуть выход в исходное состояние.
Чувствительная ось и полярность поля
Датчик измеряет не «магнит вообще», а составляющую магнитной индукции вдоль заданной чувствительной оси. У многих корпусов поле воспринимается перпендикулярно активной поверхности кристалла, но существуют исполнения, рассчитанные на поле в плоскости печатной платы, а также двух- и трёхкоординатные датчики.
Производитель показывает положительное направление поля на чертеже корпуса. Там же указываются положение чувствительной точки и расстояние от неё до поверхности корпуса. Эти данные нужны, когда магнит проходит сбоку, установлен с малым зазором или должен обеспечивать повторяемое аналоговое измерение.
Переворот магнита меняет знак поля. Униполярный переключатель может реагировать только на одну полярность, омниполярный – на обе, а защёлка использует противоположные полюса для смены состояния. Поэтому проверять датчик следует обеими сторонами магнита.