Параметри і характеристики датчиків Холла.

Датчики Холла

Датчики Холла бувають аналоговими й цифровими. Аналоговий перетворює індукцію магнітного поля в напругу, знак і величина якого будуть залежати від полярності і сили поля. Цифровий же видає лише факт наявності відсутності поля, і зазвичай має два пороги: включення - коли значення індукції вище порога, датчик видає логічну одиницю; та виключення - коли значення нижче порога, датчик видає логічний нуль. Наявність зони нечутливості між порогами називається гістерезисом і служить для виключення помилкового спрацьовування датчика на усілякі перешкоди - аналогічно працює цифрова електроніка з логічними рівнями напруги. Цифрові датчики Холла діляться ще на уніполярні і біполярні: перші включаються магнітним полем певної полярності і вимикаються при зниженні індукції поля; біполярні ж включаються полем однієї полярності, а вимикаються полем протилежної полярності.

Параметри і характеристики датчиків Холла.

Датчик Холла являє собою магнітоелектричний напівпровідниковий прилад, заснований на використанні ефекту Холла, На рис. 2222 показані схеми включення датчика Холла.

Рис.2222 Схеми включення датчиків Холла; сімейство вольт-амперних характеристик датчика Холла.

Напруга, що подається на керуючі електроди U _1, називається вхідною напругою датчика Холла, а опір R ₁ між цими електродами називається вхідним опором.

Величина цього опору при відсутності магнітного поля визначається за формулою

, (10)

де ρ - питомий опір напівпровідника.

З ростом напруженості магнітного поля вхідний опір збільшується.

Напруга між двома іншими (холлівскіми) контактами називається вихідним і позначається U ₂(Рис. 2222). Опір між холлівскіми контактами називається вихідним і позначається R _2. Величина його за відсутності магнітного поля визначається виразом

. (11)

Тут не врахована нерівномірність розподілу струму по перетину датчика. Вихідний опір, так само як і вхідний, із збільшенням магнітного поля зростає.

На рис. 2222 наведено сімейство вольт-амперних характеристик датчика для одного і того ж значення вхідного струму та для декількох значень індукції магнітного поля. Із зростанням поля крутизна зростає внаслідок того, що зростає внутрішній опір датчика R _2.

Однією з важливих характеристик датчика, що дозволяє оцінити його ефективність, є коефіцієнт передачі К. Він визначається як відношення вихідної напруги до вхідної при заданому значенні керуючого магнітного поля:

, (12)

Враховуючи, що I ₁ = U ₁ / R _1, можна знайти коефіцієнт передачі:

, (13)

Коефіцієнт передачі зі збільшенням індукції магнітного поля зростає.

Зазвичай датчик е.р.с. Холла працює на зовнішнє навантаження. Схема включення показана на рис. 2222 (нижній малюнок). Прикладена до датчика потужність від зовнішнього джерела струму дорівнює

, (14)

Струм, що протікає в вихідному ланцюзі датчика Холла,

, (15)

де R _Н - опір навантаження. Потужність, що віддається в навантаження,

, (16)

Максимальна потужність, яка віддається обмежується гранично допустимою потужністю розсіювання на датчику. Коефіцієнт корисної дії датчика Холла визначається як відношення потужності, що віддається в навантаження Р _Н до потужності на його вході:

. (121)

При погодженому навантаженні, враховуючи (12) і (16), ККД датчика

, (19)

ККД датчика Холла зазвичай не перевищує 20%. Величина його не залежить від вхідного струму.

Для збільшення е.р.с. Холла і вихідної потужності необхідна збільшувати вхідну потужність.

Важливою характеристикою датчика Холла є чутливість g. Визначається вона як е.р.с., що виникає на холлівскіх контактах при одиничному керуючому струмі і одиничному значенні магнітної індукції:

, (20)

Важливим параметром датчика Холла є відношення, що характеризує е.р.с. Холла, що припадає на одиницю магнітної індукції. Цей параметр називається магнітною чутливістю:

, (22)

Час встановлення е.р.с. Холла характеризується часом релаксації τ = ε / γ, де ε - діелектрична проникність, а γ - питома провідність матеріалу перетворювача. Для зазвичай використовуваних матеріалів τ = 10 ^-11 ÷ 10 ^-13 с, тому постійна Холла частотно-незалежна при частотах до 10 ¹¹ Гц. Між електродні ємності у перетворювачів Холла складають одиниці пікофарад, тому їх вплив позначається при частотах порядку десятків і сотень мегагерц.

Динамічні властивості безпосередньо перетворювача Холла, здавалося б, дозволяють використовувати його при вимірах індукції в змінних магнітних полях дуже високої частоти. Однак при роботі в змінних магнітних полях виникають обмеження дещо іншого роду. У змінному магнітному нулі в вихідному ланцюзі перетворювача з'являється додаткова е.р.с., індуковані змінним магнітним полем.. Індуковані е.р.с. зрушена по відношенню до е.р.с. Холла на 90 °. Зменшення індукованих е.р.с. здійснюється раціональним розташуванням висновків перетворювача і включенням додаткових компенсаційних обмоток. Можливо також живлення перетворювача змінним струмом, частота якого значно більше частоти змінного магнітного поля, і використання вузько смугових підсилювачів для посилення вихідної напруги. Крім того, в змінному магнітному полі в пластині перетворювача виникають вихрові струми, магнітне поле яких змінює основне поле і тим самим е.р.с. Холла.

При живленні перетворювачів струмом високої частоти має місце поверхневий ефект, який призводить до зменшення ефективної товщини перетворювача і до збільшення його чутливості. Для перетворювачів поверхневий ефект мало позначається при частотах до 10 ⁷ Гц. Для роботи при більш високих частотах живлячого струму необхідно використовувати плівкові перетворювачі товщиною 5-10 мкм.

Аналіз основних метрологічних характеристик перетворювачів Холла показує, що основна похибка більшості приладів, в яких використовуються перетворювачі Холу, становить 0, 5-1, 0% і більше. Тільки при застосуванні складних методів корекції можна знизити похибку вимірювання до 0, 1 - 0, 2% при роботі у вузькому діапазоні температур.