Датчик Холла. 
Датчик Холла

Датчик Холла — полупроводниковый преобразователь силы электрического тока в напряжение (э.д.с. Холла), действие которого основано на эффекте Холла. Эффект Холла — это физическое явление, которое заключается в следующем. Рассмотрим пластинку из проводящего материала, вдоль которой проходит ток I. Если перпендикулярно плоскости пластинки и направлению тока действует магнитное поле напряженностью Н, то в пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля:

Е = КIН,.

К= kx/ d

— коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d; kx — постоянная Холла. датчик холл принцип использование.

Рис. Датчик Холла

Основное применение датчики Холла и датчики магнитосопротивления находят для измерения магнитных полей. Они применяются в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 109 А/м. С их помощью можно определять кривые намагничивания магнитных материалов, распределение магнитных полей в электрических машинах электромагнитных устройствах. Датчики Холла, в основном, используются для измерения величины магнитного поля и магнитной индукции. Они нашли широкое применение в электронике, автоматике, измерительной и вычислительной технике, а также в современных системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время эти датчики применяются в системах бесконтактного измерения ширины железнодорожной колеи новых путеизмерительных вагонов. Использование бесконтактного метода позволяет производить контроль состояния пути при более высоких скоростях движения вагона, что значительно увеличивает производительность за счёт сокращения времени выполнения подобных измерений. Направление этой ЭДС, которая называется ЭДС Холла, перпендикулярно току и полю, т. е. ее можно замерить между боковыми продольными гранями пластины с помощью электроизмерительного прибора. Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды в магнитном поле действует сила Лоренца. Ток в пластине — это и есть упорядоченное движение зарядов (в металле — электронов). Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно направлению своего движения и вблизи одной продольной грани возникает избыток зарядов, а вблизи другой — недостаток. В обычных проводниковых материалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью носителей тока из-за их большой концентрации. Хотя эффект Холла известен уже более ста лет, практическое применение его началось лишь в итоге развития технологии получения полупроводников. Именно в чистых полупроводниках обеспечивается высокая подвижность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых полупроводников во много раз больше, чем для металлов.

Использование датчиков Холла для целей автоматического измерения будет рациональным в том случае, если они имеют достаточно высокую чувствительность и мало подвержены влиянию температуры. Чувствительность датчика зависит от выходной ЭДС, т. е. от постоянной Холла, которая, в свою очередь, определяется подвижностью носителей тока. В проводящих телах носителями тока являются электроны. При обычных температурах электроны находятся в хаотическом тепловом движении с самыми различными скоростями. Однако если вдоль тела создать электрическое поле Е, приложив напряжение U, то все электроны начнут передвигаться в направлении поля с некоторой средней скоростью v (при этом отдельные электроны могут иметь как большую, так и меньшую скорости). Подвижность носителей тока (т) определяется как отношение скорости v к напряженности электрического поля Е:

µ= v/E.

Подвижность зависит от того, как часто электрон при своем движении сталкивается с решеткой твердого тела. Следует особо отметить, что большое значение ЭДС Холла еще не означает, что в этом веществе велик эффект Холла и оно годится для технических применений. Большое значение ЭДС может быть получено за счет большого напряжения U, т. е. больших затрат электрической энергии. В то же время в другом материале такая же ЭДС Холла и те же скорости носителей тока могут быть получены при меньшем напряжении только за счет большей подвижности. Такой материал выгоднее для применения в датчике Холла. Короче говоря, основным требованием, предъявляемым к материалам для датчиков, является сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями. В зависимости от технологии изготовления различают кристаллические (в форме пластинки) и пленочные датчики. В качестве материала кристаллических датчиков используются различные соединения индия: мышьяковистый индий InAs, фосфид индия InP, сурьмянистый индий InSb, а также германий Ge и кремний Si.

Датчик Холла относится к генераторным датчикам. Генераторные датчики, предназначенные для преобразования неэлектрических величин непосредственно в электрическую активную величину, такую как э.д.с.