2.1.3. Преобразователи Холла

Одно из важнейших для практических приложений гальваномагнитных явлений - эффект Холла известно более 100 лет, оно было от­крыто в 1879 г. доктором Эдвином Холлом, сотруд­ником Бал­ти­мор­ско­го универ­си­тета им. Дж. Хопкинса. Этим открытием он подтвердил тео­рию движения элек­тронов, изложенную за 30 лет до этого лордом Кель­вином. Холл обнаружил, что если расположить магнит относительно золотой пластинки, по которой протекает ток I, так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно пластинке, между ее боковыми сторонами возникнет разность потенциалов U_x - ЭДС Холла. Это напряжение пропорционально силе тока I через проводник и магнитной индукции В. Поэтому преобразователи Холла можно считать разновидностью электромагнитных ЧЭ.

Первые приборы использующие эффект Холла появились лишь в 50-е годы ХХ века, когда был создан датчик СВЧ-излучения. В 1968 году была изготовлена пер­вая полупроводниковая клавиатура, использующая это явление. В конце ХХ века эффект Холла обнаружен в квантовой физике, за что исследователи были удостоены двух Нобелевских премий (в 1985 г. и 1998 г.). Наиболее известно использование преобразователей Холла в магнетометрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др. Так, например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов - ЧЭ Холла и магнита, подвижных друг относительно друга. Перемещение магнита относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональный величине перемещения.

Самыми распространенными материалами преобразователей Холла являются полупроводниковые структуры на базеGaAs, InAs, InSb и др.

Преобразователь Холла относится к классу генераторных преобразователей, его выходным сигналом яв­ляется напряжение Холла U_х. Оно возникает в слу­чае, если через кристалл, находящийся в магнитном по­ле протекает опо­рный ток I_оп (рис. 2.9а, б). Функцию пре­образования ЧЭ Холла мо­жно представить в виде:

где R_х - постоянная Холла, h - эффективная толщина по­лупроводникового слоя, B sin  - составляющая вне­шнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов R_х  10^-3 см³/Кл, для полупроводников R_х  10⁵ см³/Кл. Постоянная Холла зависит от температуры, ее температурная чувствительность S_x^Т составляет  (1…3)%/⁰С.

Если I_оп и  постоянны, то U_х  B. Тогда U_х = S_x B, где S_x = R_х I_оп/h - чувствительность преобразователя (рис. 2.10б).

Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа является то, что выводные линии располагаются перпендикулярно направлению протекания тока.

Визмерительных устройствах используютсяинтегральные микросхемы, основанные на эффекте Холла. В состав такой микросхе­мы (рис. 2.10а) входят: датчик Холла, ста­билизатор опорного напряжения, опе­­ра­ци­он­ный уси­литель и эмиттерный повторитель. Величина вы­ходного напряжения U_вых зависит от напряжения Хол­ла и коэффициента усиления схемы, и в отсутствии магнитного поля равна нулю. (Если питание микросхемы осуществляется от одно­по­ляр­ного источника, как на рисунке, то относительно земли U_вых^о = U_ип/2). Напряжение Холла невелико и составляет  30 мВ на 1 гаусс (0,1 миллитесла), что требует последующего усиления. Эмиттерный повторитель используется для умень­шения выходного сопротивления микросхемы.

Магнитные поля боль­шой силы не разрушают датчик Холла, лишь переводя его в режим насыщения с U_вых < U_ип. Чувствитель­ность микросхемы равна:

S = U_вых/B

Используя графики можно найти U_вых при изменении B для известного U_ип. Линейность схемы составляет  1 ... 2%.

Часто датчики, использующие преобразователи Хол­­­ла, имеют релейный выход. В этом случае, оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзистор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки.

Микросхемы Холла используют в датчиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, магнит­ных карточках и замках. Сравнительные характеристики для нескольких ЧЭ Холла показаны .в табл. 2.4. Обозначено: B - индукция, t - время.

Таблица 2.4. Сравнительные характеристики ЧЭ датчиков Холла

Модель	В, мТл		Uип, В	t, мкс		Iпот, мА	Размеры, мм	m, г
	срабатывания	отпускания		включения	выключения
К1116КП6	80	20	4 ... 30	0,2	0,5	3	13122	0,5
SАS-250	65	5	0 ...30	2	1	30	1062	0,2
TL-175	35	-35	5 ... 7			20	455	0,2

Примечание. Модели SАS и TL разработаны фирмами Simens и Texas Instruments соответ­ст­венно.