Датчики холла: Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения

Содержание

Датчик Холла и принцип его работы. Типы датчиков и их особенности.

Главная » Виды датчиков

Содержание

Что такое датчик Холла
Какие бывают типы датчиков Холла
Применение датчиков Холла
Датчик Холла или геркон?

Что такое датчик Холла

Для того чтобы понять, что такое датчик Холла нужно сначала разобраться какие физические свойства он использует. Этот датчик использует внешние магнитные поля и их воздействием на проводники или полупроводники.

В них используется принцип Холла, который заключается в том, что если по проводнику или полупроводнику протекает ток в одном направлении и он проходит перпендикулярно магнитному полю, то можно измерить напряжение, проходящее под прямым углом к движению тока.

датчик Холла

В 19 веке американский физик Эдвин Холл проводил эксперименты с пластиной золота через которую он пропускал электрический ток. Когда он поднес к пластине постоянный магнит, то обнаружил на гранях перпендикулярных протеканию тока разность потенциалов т. е. напряжение. В честь этого ученого и назвали этот эффект.

Датчик Холла является магнитным датчиком т.е. устройством, генерирующим электрические сигналы пропорциональные магнитному полю, которое к нему приложено. Далее сигнал может усиливаться и преобразовываться для дальнейшей обработки.

клещи для измерения тока

Самым простым примером применения эффекта Холла могут служить токоизмерительные клещи, которые применяются для бесконтактного определения силы тока, протекающего по проводнику.

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

Аналоговые датчики Холла
В этом типе датчиков использовано преобразование магнитной индукции напрямую в напряжение. Свое применение аналоговые датчики нашли в измерительных технических устройствах. Это, например, датчики тока, датчики вибрации, датчики угла поворота.
Цифровые датчики Холла
Цифровой датчик Холла имеет всего два положения, которые показывают наличие или отсутствие магнитного поля. Практически это аналог геркона, но если в герконе присутствует механический контакт, то цифровой датчик Холла бесконтактный.

датчик с эффектом Холла

Подразделяются такие датчики на три вида:

Униполярный – когда сила магнитного поля достигает определенной величины датчик срабатывает. Такие датчики откликаются только на один полюс. Если к датчику поднести магнит другим полюсом, то датчик на него не реагирует. Когда сила магнитного поля снижается датчик возвращается в исходное положение.
Биполярный – в этом случае имеет значение полярность магнитного поля. Один полюс включает датчик, другой полюс выключает.
Омниполярный датчик Холла – реагирует на любой магнитный полюс. Т.е. любой полюс может включать и выключать датчик. Это может быть, как южный, так и северный полюс.

Как правило цифровой датчик Холла имеет три вывода и внешне похож на транзистор.

сенсор Холла с выводами

На два вывода датчика подается питание, которое может быть, как однополярным, так и двуполярным. Третий вывод сигнальный. Такой тип датчиков часто применяется в бесконтактных системах зажигания, как датчик скорости в автомобилях и т.д.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

В смартфонах датчик Холла используется в комплекте с магнитным чехлом. Он позволяет определить чехол открыт или закрыт. Если чехол открыт, то смартфон включается, если открыт, то выключается. Также преобразователь Холла ориентирует телефон по горизонту земли и помогает работе компаса. На мобильных телефонах-раскладушках также применяется датчик Холла для определения телефон находится в открытом или закрытом положении.

умный чехол для смартфона

В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
В системах определения уровня жидкости.
Для проверки наличия скрытой проводки.
Для измерения силы тока.

Arduino с датчиком Холла

В робототехнических наборах для изучения эффекта Холла. Это позволяет наглядно показать, как используются магнитные поля в датчиках.

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Датчик Холла или геркон?

возвращение квадратурных энкодеров / Хабр

Это уже третья статья, рассказывающая о квадратурных декодерах, на сей раз с применением к управлению бесколлекторными двигателями.

Статья первая: принцип работы квадратурного декодера + код для ардуино.
Статья вторая: квадратурный декодер на stm32.

Задача: есть обычный китайский бесколлекторник, нужно его подключить к контроллеру Copley Controls 503. В отличие от копеечных коптерных контроллеров, 503й хочет сигнал с датчиков холла, которых на движке нет. Давайте разбираться, для чего нужны датчики и как их ставить.

В качестве иллюстрации я возьму очень распространённый двигатель с двенадцатью катушками в статоре и четырнадцатью магнитами в роторе. Вариантов намотки и количества катушек/магнитов довольно много, но суть всегда остаётся одной и той же. Вот фотография моего экземпляра с двух сторон, отлично видны и катушки, и магниты в роторе:

Чтобы было ещё понятнее, я нарисовал его схему, полюса магнитов ротора обозначены цветом, красный для северного и синий для южного:

На датчики холла пока не обращайте внимания, их всё равно нет 🙂

Что будет, если подать плюс на вывод V, а минус на вывод W (вывод U не подключаем ни к чему)? Очевидно, будет течь ток в катушках, намотанных зелёным проводом. Катушки намотаны в разном направлении, поэтому верхние две катушки будут притягиваться к магнитам 1 и 2, а нижние две к магнитам 8 и 9. Остальные катушки и магниты в такой конфигурации роли практически не играют, поэтому я выделил именно магниты 1,2,8 и 9. При такой запитке мотора он очевидно крутиться не будет, и будет иметь семь устойчивых положений ротора, равномерно распределённых по всей окружности (левая верхняя зелёная катушка статора может притягивать магниты 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13).

Давайте записывать наши действия вот в такую табличку:

Угол поворота ротора	U	V	W
0°	n.c.	+	—

А что будет, если теперь подать плюс на U и минус на W? Красные катушки притянут к себе магниты 3,4,10 и 11, таким образом чуть-чуть повернув ротор (я по-прежнему выделяю магниты, за которые ротор тянет):

Давайте посчитаем, на сколько повернётся ротор: между щелями магнитов 1-2 и 3-4 у нас 51.43° (=360°*2/7), а между соответствующими щелями в статоре 60° (=360°/12*2). Таким образом, ротор провернётся на 8.57°. Обновим нашу табличку:

Угол поворота ротора	U	V	W
8.57°	+	n.c.	—

Теперь сам бог велел подать + на U и — на V!

Угол поворота ротора	U	V	W
17.14°	+	—	n.c.

Теперь опять пора выровнять магниты с зелёными катушками, поэтому подаём напряжение на них, но красный и синий магниты поменялись местами, поэтому теперь нужно подать обратное напряжение:

Угол поворота ротора	U	V	W
25.71°	n.c.	—	+

C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:

Угол поворота ротора	U	V	W
34. 29°	—	n.c.	+

Угол поворота ротора	U	V	W
42.85°	—	+	n.c.

Если мы снова повторим самый первый шаг, то наш ротор провернётся ровно на одну седьмую оборота. Итак, всего у нашего мотора три вывода, мы можем подать напряжение на два из них шестью разными способами 6 = 2*C²₃, причём мы их все уже перебрали. Если подавать напряжение не хаотично, а в строгом порядке, который зависит от положения ротора, то двигатель будет вращаться.

Запишем ещё раз всю последовательность для нашего двигателя:

Угол поворота ротора	U	V	W
0°	n.c.	+	—
8.57°	+	n. c.	—
17.14°	+	—	n.c.
25.71°	n.c.	—	+
34.29°	—	n.c.	+
42.86°	—	+	n.c.

Есть один нюанс: у обычного коллекторного двигателя за переключение обмоток отвечают щётки, а тут нам надо определять положение ротора самим.

Теперь давайте поставим три датчика холла в те чёрные точки, обозначенные на схеме. Давайте договоримся, что датчик выдаёт логическую единицу, когда он находится напротив красного магнита. Всего существует шесть (сюрприз!) возможных состояний трёх датчиков: 2

3 — 2. Всего возможных состояний 8, но в силу расстояния между датчиками они не могут все втроём быть в логическом нуле или в логической единице:

Обратите внимание, что они генерируют три сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 периода. Кстати, электрики используют слово градусы, говоря про 120°, чем окончательно запутывают нубов типа меня. Если мы хотим сделать свой контроллер двигателя, то достаточно читать сигнал с датчиков, и соответственно переключать напряжение на обмотках.

Для размещения датчиков я использовал вот такую платку, дизайн которой взял тут. По ссылке лежит проект eagle, так что я просто заказал у китайцев сразу много подобных платок:

Эти платки несут на себе только три датчика холла, больше ничего. Ну, по вкусу можно поставить конденсаторы, я не стал заморачиваться. Очень удобно сделаны длинные прорези для регулировки положения датчиков относительно статора.

Ещё бы! Единственная разница, что инкрементальные энкодеры дают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90°, а у нас три сигнала, сдвинутые на 120°. Что будет, если завести любые два из них на обычный квадратурный декодер, например, той же самой синей таблетки? Мы получим возможность определять положение вала с точностью до четырёх отсчётов на одну седьмую оборота, или 28 отсчётов на оборот. Если вы не поняли, о чём я, прочтите принцип работы квадратурного декодера в первой статье.

Я долго думал, как же мне использовать все три сигнала, ведь у нас происходит шесть событий на одну седьмую оборота, мы должны иметь возможность получить 42 отсчёта на оборот. В итоге решил пойти грубой силой, так как синяя таблетка имеет кучу аппаратных квадратурных декодеров, поэтому я решил в ней завести три счётчика:

Видно, что при каждом событии у нас увеличиваются два из них, поэтому сложив три счётчика, и поделив на два, мы получим равномерно тикающий определитель положения вала, с точностью до 6*7 = 42 отсчёта на оборот!

Вот так выглядит макет подключения датчиков Холла к синей таблетке:

В некоторых приложениях (например, для коптеров) все эти заморочки не нужны. Контроллеры пытаются угадать происходящее с ротором по току в катушках. С одной стороны, это меньше заморочек, но с другой стороны, иногда приводит к проблемам с моментом старта двигателя, поэтому слабоприменимо, например, в робототехнике, где нужны околонулевые скорости. Давайте попробуем запитать наш движок от обычного китайского коптерного ESC (electronic speed controller).

Мой контроллер хочет на вход PPM сигнал: это импульс с частотой 50Гц, длина импульса задаёт обороты: 1мс — останов, 2мс — максимально возможные обороты (считается как KV двигателя * напряжение).

Вот здесь я выложил исходный код и кубовские файлы для синей таблетки. Таймер 1 генерирует PWM для ESC, таймеры 2,3,4 считают соответствующие квадратурные сигналы. Поскольку в прошлой статье я крайне подробно расписал, где и что кликать, то здесь только даю ссылку на исходный код.

На вход моему ESC я даю пилообразное задание скорости, посмотрим, как он его отработает. Вывод синей таблетки лежит тут, а код, который рисует график, тут.

Поскольку у меня двигатель имеет номинал 400KV, а питание я подал 10В, то максимальные обороты должны быть в районе 4000 об/мин = 419 рад/с. Ну а вот и график подоспел:

Видно, что реальные обороты соответствуют заданию весьма приблизительно, что терпимо для коптеров, но совершенно неприменимо во многих других ситуациях, почему, собственно, я и хочу использовать более совершенные контроллеры, которым нужны сигналы с датчиков холла.

Ну и бонусом я получаю угол поворота ротора, что бывает крайне полезно.

Я провёл детство в обнимку с этой книжкой, но раскурить принципы работы бесколлекторников довелось только сейчас.

Оказывается, что шаговые моторы и вот такое коптерные моторчики — это (концептуально) одно и то же. Разница лишь в количестве фаз: шаговики (обычно, бывают исключения) управляются двумя фазами, сдвинутыми на 90°, а бесколлекторники (опять же, обычно) тремя фазами, сдвинутыми на 120°.

Разумеется, есть и другие, чисто практические отличия: шаговики рассчитаны на увеличение удерживающего момента и повторяемость шагов, в то время как коптерные движки на скорость и плавность вращения, что сказывается на количестве обмоток, подшипниках и т.п. Но в итоге обычный бесколлекторник можно использовать в шаговом режиме, а шаговик в постоянном вращении, управление у них будет одинаковым.

Update: красивая анимация от Arastas:

RS Компоненты | электроник- и эль-компонентер

Компоненты РС | электроник- оч эль-компонентер

Вара продуктовый отдел

Аккумуляторы и зарядные устройства
Соединители
Дисплеи и оптоэлектроника
Контроль электростатического разряда, чистые помещения и прототипирование печатных плат
Пассивные компоненты
Блоки питания и трансформаторы
Raspberry Pi, Arduino и средства разработки
Полупроводники

Механизм автоматизации и управления
Кабели и провода
Корпуса и серверные стойки
Предохранители и автоматические выключатели
HVAC, вентиляторы и управление температурным режимом
Освещение
Реле и формирование сигналов
Переключатели

Доступ, хранение и обработка материалов
Клеи, герметики и ленты
Подшипники и уплотнения
Инженерные материалы и промышленное оборудование
Застежки и крепления
Ручной инструмент
Механическая передача энергии
Сантехника и трубопровод
Пневматика и гидравлика
Электроинструменты, Пайка и сварка

Компьютеры и периферия
Уборка и техническое обслуживание помещений
Офисные принадлежности
Средства индивидуальной защиты и рабочая одежда
Безопасность и скобяные изделия
Безопасность сайта
Испытания и измерения

Как работают датчики Холла и где они используются?

Вы здесь: Домашняя страница / Часто задаваемые вопросы + основы / Как работают датчики Холла и где они используются в приложениях движения?

21 сентября 2021 г. By Danielle Collins Оставить комментарий

Эффект Холла является результатом действия силы Лоренца.

Когда через тонкий проводник (или полупроводник) протекает постоянный ток, а магнит расположен так, что его магнитное поле направлено перпендикулярно этому току, магнитное поле тока реагирует на магнитное поле постоянного магнита , заставляя электроны, протекающие через проводник, притягиваться к одной стороне проводника из-за силы Лоренца. Это создает в проводнике разность потенциалов, называемую напряжением Холла. Величина напряжения Холла пропорциональна силе магнитного поля.

Сила Лоренца — это сила, с которой частица действует под действием электрических и магнитных полей.

Напряжение Холла возникает, когда магнитное поле тока, протекающего по проводнику, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, перпендикулярным потоку тока.
Изображение предоставлено: electronics-tutorials.ws

Эффект Холла используется в датчиках, где результирующее напряжение Холла может указывать на наличие, отсутствие или силу магнитного поля. Хотя датчики Холла работают, обнаруживая магнитное поле, их можно использовать для измерения самых разных параметров, включая положение, температуру, силу тока и давление.

Датчики на эффекте Холла обычно делятся на две категории: цифровые датчики на эффекте Холла, к которым относятся переключатели на эффекте Холла и защелки на эффекте Холла, и аналоговые датчики на эффекте Холла.

Переключатели на эффекте Холла — также называемые униполярными датчиками — обнаруживают наличие (или отсутствие) магнитного поля по сравнению с заранее заданным порогом магнитного потока. При обнаружении подходящего магнитного поля переключатель включается (замыкается), а когда поле снимается, переключатель выключается (размыкается). Датчики приближения являются распространенным применением переключателей на эффекте Холла.

Работа защелки на эффекте Холла, также называемой биполярным датчиком, похожа на переключатель, но защелка включается (закрывается) при приложении положительного магнитного поля, а остается на даже при снятии поля. . И наоборот, защелка выключается (открывается), когда прикладывается отрицательное магнитное поле, и остается выключенной , даже когда поле снимается. Защелки на эффекте Холла обычно используются в бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC) для определения положения ротора для правильной коммутации.

Цифровые датчики на эффекте Холла включают триггер Шмитта — схему, которая регулирует порог переключения до немного более высокой точки на нарастающем фронте сигнала и до немного более низкой точки на заднем фронте сигнала. Разница между этими точками переключения называется гистерезисом и гарантирует, что переключатель не будет колебаться или включаться и выключаться из-за шума во входном сигнале.

Триггер Шмитта обеспечивает гистерезис для предотвращения колебаний цифрового датчика Холла между состояниями «включено» и «выключено».
Изображение предоставлено: Texas Instruments

Аналоговые или линейные датчики Холла производят постоянное выходное напряжение, пропорциональное плотности магнитного потока (силе магнитного поля), что делает их подходящими для измерения положения и движения.