Квантовый эффект Холла — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла — эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Квантовый эффект Холла (КЭХ) был открыт Клаусом фон Клитцингом (совместно с Г. Дордой и М. Пеппером) в 1980 году[1], за что впоследствии, в 1985 году, он получил Нобелевскую премию[2].
Введение
Рис. 1. Зависимости холловского сопротивления и удельного сопротивления от магнитного поля при постоянной концентрации носителей. На зависимости холловского сопротивления наблюдаются «плато»[3].Эффект состоит в том, что при достаточно низких температурах в сильных магнитных полях на графике зависимости поперечного сопротивления (отношения возникающего поперечного напряжения к протекающему продольному току) вырожденного двумерного электронного газа (ДЭГ) от величины нормальной составляющей к поверхности ДЭГ индукции магнитного поля (или от концентрации при фиксированном магнитном поле) наблюдаются участки с неизменным поперечным сопротивлением или «плато».{2}}, где
В 1982 году Д. Цуи и Х. Штёрмер открыли дробный квантовый эффект Холла (фактор заполнения при этом становится меньше единицы)[4].
Уже первая работа[1] по КЭХ, названная «Новый метод определения постоянной тонкой структуры с высокой точностью по квантованию холловского сопротивления» показала, что возможно его применение в качестве стандарта сопротивления. В настоящее время известно, что значения квантованного сопротивления Холла не зависят от качества образца и его материала. Поэтому, начиная с 1990 года, калибровки сопротивлений основаны на КЭХ с фиксированным значением Rэ = 25812.807557(18) Ом.
Для наблюдения КЭХ существует ряд условий, которые должны выполняться, чтобы квантование было точным. Ниже приведены основные предпосылки возникновения плато.
Двумерный электронный газ
Осн
Kvant. Эффект Холла — PhysBook
Черноуцан А. И. Сила Лоренца и эффект Холла //Квант. — 1989. — № 3. — С. 46-49.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
При изучении темы «Магнитное поле» вы познакомились с двумя силами. Одну из них называют силой Лоренца, другую — силой Ампера. Сила Лоренца действует со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. Если в магнитном поле находится не один движущийся заряд, а проводник с током, то на него действует сила Ампера.
Силу Ампера легко свести к силе Лоренца, если вспомнить, что электрический ток в проводнике есть не что иное, как направленное движение свободных зарядов, например — электронов. На каждый электрон действует сила Лоренца, а сумма всех таких сил как раз и составляет силу Ампера.
На первый взгляд, все просто. Но при внимательном рассмотрении возникают вопросы. Например, может показаться непонятным, каким образом сила, действующая на свободные электроны, «передается» всему проводнику. Если электроны свободные, то они не взаимодействуют с кристаллической решеткой, а значит, и не могут оказать на нее никакого воздействия. Попробуем разобраться.
Представим себе, что электроны действительно полностью не зависят от кристаллической решетки. Тогда за очень короткое время они все должны были бы улететь из проводника (скорость электронов достаточно велика). Ясно, что это невозможно, хотя бы потому, что при этом обнажился бы колоссальный положительный заряд. На самом деле в тонком пограничном слое проводника на электроны действует сильное электрическое поле, не позволяющее им улететь наружу. Электроны оказываются как бы запертыми внутри проводника.
а
б
Поместим проводник с током в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока (рис. 1, а). На электроны начнет действовать сила Лоренца, и они будут смещаться к верхней границе проводника. В результате на верхней границе будет накапливаться отрицательный электрический заряд. Так как проводник в целом электронейтрален, на нижней границе появится избыточный положительный заряд. Этот процесс очень скоро прекратится, и только ничтожно малая часть всех электронов успеет скопиться на границе. Почему?
Дело в том, что накопление зарядов на границах приводит к появлению внутри проводника поперечного электрического поля [1] (рис. 1,6). Легко видеть, что действие этого поля на электроны по направлению противоположно действию силы Лоренца. Когда эти две силы станут равны по модулю, движение электронов к границе проводника прекратится, и продолжится спокойное протекание электрического тока вдоль проводника.
Итак, мы более или менее разобрались, каким образом сила Лоренца, действующая на свободные электроны, передается всему проводнику: «передатчиком» служит заряд, который скапливается на его боковой поверхности. Но, внимание! Как это иногда бывает, пытаясь разобраться в одном явлении, мы попутно обнаружили другое важное физическое явление. А именно:
Чтобы понять, почему мы назвали эффект Холла замечательным, рассмотрим его несколько подробнее. Вычислим сначала разность потенциалов Δφx (ее называют холловской разностью потенциалов), которая образуется между боковыми поверхностями проводника. Как мы уже говорили, процесс накопления заряда прекратится тогда, когда сила Лоренца \(~F_L = e \upsilon B\) будет уравновешена электростатической силой \(~F_{el} = e E_{\perp}\):
\(~e \upsilon B = e E_{\perp}\) , здесь υ — средняя скорость направленного движения электронов, В — индукция магнитного поля, E⊥ — напряженность поперечного электрического поля. Отсюда получаем \(~\Delta \varphi_x = E_{\perp} d = \upsilon B d\) ,где d — толщина проводника. Среднюю скорость направленного движения зарядов можно выразить через силу тока I, концентрацию свободных электронов в проводнике n и площадь его поперечного сечения S:
\(~I = e n \upsilon S , \upsilon = \frac{I}{enS}\) .Тогда окончательно
\(~\Delta \varphi_x = \frac{d}{enS} IB\) .Глядя на эту формулу, нетрудно представить основные возможности применения эффекта Холла. Рассмотрим некоторые из них.
- Эффект Холла можно использовать для измерения индукции магнитного поля. Для этого изготавливают проводник небольшого размера (его называют датчиком Холла) и определяют для него коэффициент пропорциональности между Δφx и произведением
- Результаты измерений холловской разности потенциалов легко воспроизводимы, поэтому эффект Холла нередко используют для создания эталонного напряжения.
- Эффект Холла играет важную роль при исследовании физических свойств проводящих материалов. И это самое главное его применение. Действительно, измеряя Δφx, I и В, можно вычислить такую важную характеристику, как концентрация свободных носителей зарядов в веществе при различных условиях. Ожидалось, что эта концентрация будет по порядку величины такой же, как концентрация атомов,— ведь именно от атомов кристаллической решетки «отрываются» свободные электроны. Это ожидание оправдалось для многих металлов, но не подтвердилось для полупроводников. У них концентрация свободных зарядов оказалась на много порядков меньше и к тому же сильно зависела от температуры. Представляете — один свободный электрон на сто тысяч или даже на миллион атомов! Но самый неожиданный вывод заключался в том, что по результатам опытов заряд свободных носителей во многих полупроводниках должен быть положительным!
а
б
Как же удалось это выяснить? Нетрудно заметить, что все известные вам проявления электрического тока (тепловое, магнитное и т. п.) совершенно не зависят от знака носителей заряда, т. е. все определяется только величиной силы тока, и только в эффекте Холла это не так. Посмотрите на рисунок 2, а. Если бы носители заряда были положительными, то при том же направлении тока скорость зарядов имела бы противоположное направление. Но раз изменился как знак заряда, так и направление скорости, то сила Лоренца будет снова направлена вверх. Значит, на верхней грани в этом случае будет скапливаться не отрицательный, а положительный заряд, и Δ
Такой, как его называют, аномальный эффект Холла и был обнаружен экспериментально. Возникло ощущение, что ток создается положительными электронами! На самом деле, как оказалось впоследствии, аномальный эффект Холла в полупроводниках соответствует случаю дырочной проводимости.
В заключение отметим, что несколько лет назад были обнаружены совершенно неожиданные и удивительные особенности эффекта Холла в так называемых двумерных электронных слоях, объяснение которым дает лишь квантовая теория (о квантовом эффекте Холла вы можете прочитать в статье С. Г. Семенчинского «Эффект Холла: год 1879 — год 1980» в «Кванте» № 2 за 1987 год).
Примечания
- ↑ Продольное поле существовало и до этого. Его роль, как вы знаете,— поддерживать прохождение электрического тока.
Эффект Холла — Студопедия
Студопедия Категории Авто Автоматизация Архитектура Астрономия Аудит Биология Бухгалтерия Военное дело Генетика География Геология Государство Дом Журналистика и СМИ Изобретательство Иностранные языки Информатика Искусство История Компьютеры Кулинария Культура Лексикология Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлы и Сварка Механика Музыка Население Образование Охрана безопасности жизни Охрана Труда Педагогика Политика Право Программирование Производство Промышленность Психология Радио Регилия Связь Социология Спорт Стандартизация Строительство Технологии Торговля Туризм Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Эконометрика Экономика Электроника Юриспунденкция Предметы Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измеренийприкладные исследования
в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС
Метод вывода эффекта Холла, приложения и часто задаваемые вопросы
Прежде чем перейти к выводу эффекта Холла, студенты должны отметить, что эффект Холла — это создание разности напряжений. Он возникает по электрическому проводнику и проходит поперек этого электрического тока. По сути, это произведение магнитной индукции и плотности тока, когда магнитное поле действует перпендикулярно току, протекающему в тонкой пленке.
Принцип эффекта Холла, с другой стороны, утверждает, что магнитное поле, через которое проходит ток, оказывает поперечную силу.Это, в свою очередь, перемещает электрический заряд на определенную сторону проводящего тела.
Каковы применения эффекта Холла?
Понимание этой концепции на начальном уровне требует объяснения области практического применения, которую имеет вывод эффекта Холла. Это следующие:
Эффект Холла помогает в измерении магнитного поля вокруг электрического заряда и, таким образом, квалифицируется как магнитометр.
Формула эффекта Холла позволяет определить, служит ли материал полупроводником или изолятором.
Определение эффекта Холла находит огромное применение в интегральных схемах (ИС) в виде датчиков Холла.
Кратко осветив его приложения, давайте перейдем к тому, как вы можете создать эффект Холла с нуля.
Как сделать вывод эффекта Холла?
Физика эффекта Холла включает в себя металлическое тело, которое содержит одну форму носителей заряда, например электроны. Кроме того, металл гарантирует отсутствие движения зарядов по оси y.
Следовательно, для лучшего понимания вывода необходимо учитывать следующие компоненты компонентов выражения эффекта Холла —
Сокращения | Компоненты |
Напряжение Холла | |
Поле Холла | |
Скорость дрейфа | |
Ширина металлического корпуса | |
Магнитное поле | |
Сила, действующая на электрон |
Однако компонент I в расчете эффекта Холла означает –nevA.В этом случае «I» обозначает электрический ток, «n» обозначает количество электронов в единице объема, а «A» — площадь поперечного сечения проводника.
Следовательно, вывод эффекта Холла относится к следующему —
eEH = Bev \ [\ frac {{evH}} {d} \] = BevVH = Bvd
Однако этот вывод предусматривает, что сила направлена вниз, потому что магнитного поля (равного направленной вверх электрической силе) в случае равновесия.
Другой способ найти точное значение VH — использовать следующее уравнение —
VH = \ [\ frac {{- Bi}} {{net}} \ frac {{EH}} {{JB}} = — \ frac {1} {{ne}} \]
В этом конкретном уравнении используется вывод коэффициента Холла, который равен —
\ [\ frac {{EH}} {{JB}} \]
Кроме того Коэффициент Холла (RH) подразумевает соотношение между произведением плотности тока и магнитного поля и индуцированного электрического поля.
Однако при выводе RH учитываются факторы, указанные ниже —
Следовательно, RH = — \ [\ frac {1} {{ne}} \] μ = \ [\ frac {v} {E} \ ] = \ [\ frac {J} {{neE}} \] = σRH = \ [\ frac {{RH}} {\ rho} \] (v).
Также вы должны знать, что угол Холла в эффекте Холла означает угол между электрическим полем и скоростью дрейфа. По сути, это соотношение между плотностью (обозначенной осью x) и плотностью тока (обозначенной осью y).
Кроме того, сопротивление Холла или R = \ [\ frac {{VH}} {i} = \ frac {B} {{net}} \]
Попробуйте ответить на эти вопросы
1.От какого фактора не зависит RH-коэффициент Холла для проводника?
2. Какие носители заряда соответствуют отрицательному коэффициенту Холла?
3. Каково количество 1 / (ne), где «n» — это числовая плотность носителей заряда, а «e» — электрический заряд?
Эффект Пельтье
Эффект Джоуля
Коэффициент Холла
Эффект Томсона
Эта статья представляет собой краткое объяснение компонентов, присутствующих при выводе эффекта Холла.Однако, если вы хотите узнать больше по этой теме, оставайтесь на этой странице. Вы также можете загрузить наше приложение Vedantu, чтобы получить индивидуальный опыт обучения.
Как работают датчики на эффекте Холла
Криса Вудфорда. Последнее изменение: 13 августа 2020 г.
Измерить электричество очень просто — мы все знакомы с электрическими единицами, такими как вольт, ампер и ватт (и большинство из нас видели счетчики с подвижной катушкой в той или иной форме). Немного сложнее измерить магнетизм.Спросите больше всего люди, как измерить силу магнитного поля (невидимое область магнетизма, простирающаяся вокруг магнита) или единицы в какая напряженность поля измеряется (Вебер или тесла, в зависимости от того, как вы измеряете), и они бы не поняли.
Но есть простой способ измерить магнетизм с помощью прибора. называется датчиком или зондом на эффекте Холла, который использует хитроумную наука, открытая в 1879 году американским физиком Эдвин Х. Холл (1855–1938). Работа Холла была гениальной и на много лет опередила свое время — на 20 лет до открытия электрона — и никто не знал, что с ним делать, пока спустя десятилетия не стали лучше разбираться в полупроводниках, таких как кремний.В наши дни Эдвин Холл был бы счастлив найти датчики, названные в его честь, используются во всех виды интересных способов. Рассмотрим подробнее!
Фото: Магнитное испытательное оборудование, используемое для изучения эффекта Холла. Фото любезно предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией и Министерством энергетики США (DOE).
Что такое эффект Холла?
Работая вместе, электричество и магнетизм могут заставить вещи двигаться: электродвигатели, громкоговорители и наушники — это лишь некоторые из незаменимых современные гаджеты, которые так работают.Отправить колеблющийся электрический ток через катушку с медным проводом и (хотя вы не видите этого происходит) вы создадите временное магнитное поле вокруг катушки тоже. Поместите катушку рядом с большим постоянным магнитом и временным магнитное поле, создаваемое катушкой, будет либо притягивать, либо отталкивать магнитное поле от постоянного магнита. Если катушка свободна двигаться, он будет двигаться — к постоянному магниту или от него. В электродвигатель, катушка настроена так, что может вращаться на месте и поверните колесо; в громкоговорителях и наушники, катушка приклеена на кусок бумага, пластик или ткань, которая движется вперед и назад, чтобы выкачать звук.
Фото: магнитное поле не видно, но его можно измерить с помощью эффекта Холла. фото любезно предоставлено Wikimedia Commons.
“ Если электрический ток в фиксированном проводе сам притягивается магнитом, ток должен проходить с одной стороны провода … ”
Эдвин Холл , 1879
Что делать, если поместить кусок токоведущего провода в магнитное поле, а провод? не может двигаться? То, что мы называем электричеством, обычно представляет собой поток заряженные частицы через кристаллические (обычные, твердые) материалы (либо отрицательно заряженные электроны изнутри атомов, либо иногда положительно заряженные «дыры» — зазоры там, где должны находиться электроны).Вообще говоря, если подцепить пластину из проводящего материала к батарее, электроны будут проходить через пластину по прямой линии. Как движущиеся электрические заряды, они также будут создавать магнитное поле. Если вы поместите плиту между полюса постоянного магнита, электроны отклонятся в изогнутый путь, когда они движутся через материал, потому что их собственная магнитное поле будет взаимодействовать с полем постоянного магнита. (Для справки, то, что заставляет их отклоняться, называется Сила Лоренца, но нам не нужно здесь вдаваться во все детали.) Это означает, что одна сторона материала будет видеть больше электронов, чем другой, так что разность потенциалов (напряжение) появится на материал под прямым углом к магнитному полю от постоянный магнит и ток. Это то, что физики называют эффектом Холла. Чем больше магнитное поле, тем больше отклоняются электроны; чем больше ток, тем больше электронов нужно отклонить. В любом случае, чем больше разность потенциалов (известная как напряжение Холла) будет.В другом словами, напряжение Холла пропорционально величине как электрического ток и магнитное поле. Все это имеет больше смысла в нашу небольшую анимацию ниже.
Как работает эффект Холла?
- Когда электрический ток протекает через материал, электроны (показаны здесь синими пятнами) проходят через него практически по прямой линии.
- Поместите материал в магнитное поле, и электроны внутри него тоже будут в этом поле. На них действует сила (сила Лоренца) и заставляет отклоняться от их прямолинейного пути.
- Теперь, если посмотреть сверху, электроны в этом примере будут изгибаться, как показано: с их точки зрения слева направо. Если на правой стороне материала (внизу на этом рисунке) больше электронов, чем на левой (вверху на этом рисунке), между двумя сторонами будет разница в потенциале (напряжении), как показано зеленым линия со стрелками. Величина этого напряжения прямо пропорциональна величине электрического тока и напряженности магнитного поля.
Куда они идут?
Как определить, в каком направлении будут двигаться электроны? Вы можете определить направление силы Лоренца с помощью правила левой руки Флеминга (если вы сделаете поправку на обычный ток) или его правила правой руки (если вы этого не сделаете).
Иллюстрация: заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, испытывают силу (сила Лоренца), которая меняет свое направление, вызывая эффект Холла. Вы можете использовать правило левой руки Флеминга (правило мотора), чтобы определить направление силы, если вы помните, что правило применяется к обычному току (поток положительных зарядов), а поле течет с севера на юг. В этом примере, если у нас есть поток электронов на страницу, обычный ток вытекает из страницы (так что это направление, в котором должен указывать ваш второй палец).Если поле течет слева направо (указательный палец), наш большой палец говорит нам, что электроны будут двигаться вверх.
Использование эффекта Холла
Вы можете обнаруживать и измерять все виды вещей с помощью эффекта Холла, используя то, что известно как датчик или зонд на эффекте Холла. Эти термины иногда используются взаимозаменяемо, но, строго говоря, относятся к разным вещам:
- Датчики на эффекте Холла простые, недорогие, электронные чипы, которые используются во всевозможных широко доступных гаджетах и товарах.
- Зонды на эффекте Холла — более дорогие и сложные инструменты. в научных лабораториях для таких вещей, как измерение напряженности магнитного поля с очень высокой точностью.
Фото: 1) Типичный кремниевый датчик Холла. Это выглядит
очень похоже на транзистор — что неудивительно, поскольку он сделан аналогичным образом.
Автор фото: Expainthatstuff.com. 2) Зонд на эффекте Холла, использовавшийся НАСА в середине 1960-х годов. Фото любезно предоставлено
Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).
Обычно изготавливается из полупроводников (таких материалов, как кремний и германий), эффект Холла датчики работают, измеряя напряжение Холла на двух поверхностях когда вы помещаете их в магнитное поле. Некоторые датчики Холла упакованы в удобные микросхемы со схемой управления и могут быть подключается непосредственно к более крупным электронным схемам. Самый простой способ использование одного из этих устройств позволяет определить положение чего-либо. За Например, вы можете разместить датчик Холла на дверной коробке и магнит на двери, поэтому датчик определяет, открыта дверь или закрыта от наличия магнитного поля.Такое устройство называется датчик приближения. Конечно, вы можете выполнять ту же работу так же легко с магнитным герконом (нет общего правила относительно того, герконы старого образца или современные датчики на эффекте Холла лучше — это зависит от приложения). В отличие от герконов, которые являются механическими и полагаются на контакты движущиеся в магнитном поле датчики Холла полностью электронные и не имеют движущихся частей, поэтому (по крайней мере теоретически) они должны быть надежнее. Одна вещь, которую вы не можете сделать с герконом, — это определить степень «включения» — силу магнетизма, — потому что геркон либо включен, либо выключен.Вот что делает датчик на эффекте Холла таким полезным.
Для чего используются датчики на эффекте Холла?
Фото: Этот небольшой бесщеточный двигатель постоянного тока из старого дисковода для гибких дисков имеет три датчика Холла. (обозначены красными кружками), расположенные по его краю, которые обнаруживают движение ротора двигателя (вращающегося постоянного магнита) над ними (не показано на этой фотографии). На датчики особо не на что смотреть, как вы можете видеть на фото крупным планом справа!
Датчикина эффекте Холла дешевы, прочные и надежные, крошечные и простые в использовании. так что вы найдете их во множестве разных машин и повседневных устройств, от автомобильных зажиганий до компьютерных клавиатур и заводских роботов до велотренажеров
Вот один очень распространенный пример, который вы сейчас можете использовать на своем компьютере.В бесщеточный двигатель постоянного тока (используемый в таких устройствах, как жесткие и гибкие диски), вам необходимо в любой момент точно определить, где находится двигатель. Датчик Холла расположенный рядом с ротором (вращающаяся часть двигателя) сможет очень точно определить его ориентацию, измеряя вариации магнитное поле. Подобные датчики также можно использовать для измерения скорости. (например, чтобы посчитать, насколько быстро колесо или двигатель автомобиля кулачок или коленчатый вал вращается). Вы часто найдете их в электронных спидометрах и анемометры (измерители скорости ветра), где они могут быть использованы аналогично герконам.
Революционное открытие Эдвина Холла прижилось за несколько десятилетий, но теперь оно используется в самых разных местах — даже в электромагнитных ракетных двигателях. Не будет преувеличением сказать, что новаторская работа Холла произвела на меня большое впечатление!
Изображение: Как упакован типичный датчик Холла. Магнитные поля могут быть очень маленькими, поэтому нам нужно, чтобы наши детекторы были как можно более чувствительными, и вот один из способов добиться этого. Сам чип Холла (зеленый, 17) установлен на железной несущей пластине (серый, 16), зажатой внутри двух пластиковых секций (серый, 11, 12).Микросхема подключена проводами (19) к контактам (синим), с помощью которых ее можно подключить в цепь. Но действительно важными частями являются два «концентратора потока» из мягкого железа (оранжевый, 15, 21), которые делают устройство гораздо более чувствительным. Когда вы помещаете магнит (22) рядом с датчиком, эти концентраторы позволяют магнитному потоку («плотность» магнетизма, создаваемого магнитным полем) течь по непрерывной петле через чип Холла, создавая либо положительное, либо отрицательное напряжение. Если магнит переместится на другую сторону датчика, он создаст противоположное напряжение.Иллюстрация из патента США № 3 845 445: Модульное устройство на эффекте Холла Роланда Брауна и др., Корпорация IBM, 29 октября 1974 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.
hall_effect
Эффект Холла относится к разности потенциалов (напряжение Холла , ) на противоположных сторонах электрического проводника, по которому протекает электрический ток, создаваемой магнитным полем, приложенным перпендикулярно току. Эдвин Холл обнаружил этот эффект в 1879 году.
Отношение создаваемого напряжения к произведению величины тока и магнитного поля, деленной на толщину элемента, известно как коэффициент Холла . Это характеристика материала, из которого изготовлен проводник, так как его значение зависит от типа, количества и свойств носителей заряда, составляющих ток.
Рекомендуемые дополнительные знания
Пояснение
Эффект Холла возникает из-за характера протекания тока в проводнике.Ток состоит из движения множества мелких несущих заряд «частиц» (обычно, но не всегда, электронов). Эти заряды испытывают силу, называемую силой Лоренца, когда присутствует магнитное поле, не параллельное их движению. Когда такое магнитное поле отсутствует, заряды движутся примерно по прямой, «прямой видимости». Однако при приложении перпендикулярного магнитного поля их путь искривлен, так что движущиеся заряды накапливаются на одной стороне материала. Это оставляет равные и противоположные заряды на другой стороне, где не хватает мобильных зарядов.Результатом является асимметричное распределение плотности заряда по элементу Холла, которое перпендикулярно как пути «прямой видимости», так и приложенному магнитному полю. Разделение зарядов создает электрическое поле, которое препятствует миграции дополнительного заряда, поэтому постоянный электрический потенциал нарастает до тех пор, пока течет ток.
Для простого металла, где есть только один тип носителя заряда (электроны), напряжение Холла В H определяется выражением
Коэффициент Холла определяется как
где I — ток по длине пластины, B — плотность магнитного потока, d — глубина пластины, e — заряд электрона, а n — заряд плотность носителей электронов-носителей.
В результате эффект Холла очень полезен как средство для измерения как плотности носителей, так и магнитного поля.
Одна очень важная особенность эффекта Холла состоит в том, что он различает положительные заряды, движущиеся в одном направлении, и отрицательные заряды, движущиеся в противоположном. Эффект Холла стал первым реальным доказательством того, что электрические токи в металлах переносятся движущимися электронами, а не протонами. Эффект Холла также показал, что в некоторых веществах (особенно в полупроводниках) более уместно рассматривать ток как движущиеся положительные «дырки», а не как отрицательные электроны.
Эффект Холла в полупроводниках
Когда токопроводящий полупроводник находится в магнитном поле, носители полупроводника испытывают силу в направлении, перпендикулярном магнитному полю и полю тока, это называется эффектом Холла в полупроводниках.
Eh = поле Холла
Простая формула для коэффициента Холла, приведенная выше, становится более сложной в полупроводниках, где носителями обычно являются как электроны, так и дырки, которые могут присутствовать в разных концентрациях и иметь разную подвижность.Для умеренных магнитных полей коэффициент Холла равен
где — концентрация электронов, концентрация дырок, подвижность электронов, подвижность дырок и заряд электронов.
Для больших прикладных полей справедливо более простое выражение, аналогичное выражению для одного типа несущей.
Технологические приложения
Так называемые «датчики на эффекте Холла» легко доступны от ряда различных производителей и могут использоваться в различных датчиках, таких как датчики расхода жидкости, датчики мощности и датчики давления.Также много других применений в некоторых электрических пистолетах для страйкбола и часто используется на спусковых крючках многих электропневматических пистолетов для пейнтбола.
Квантовый эффект Холла
Для двумерной электронной системы, которая может быть изготовлена на МОП-транзисторе. При наличии большой напряженности магнитного поля и низкой температуры можно наблюдать квантовый эффект Холла, который представляет собой квантование напряжения Холла.
Квантовый спиновый эффект Холла
Для двумерных квантовых ям HgTe с сильной спин-орбитальной связью, в нулевом магнитном поле, при низкой температуре недавно был обнаружен квантовый спиновый эффект Холла.
Эффект Холла в магнитных системах
В ферромагнитных материалах (и парамагнитных материалах в магнитном поле) сопротивление Холла включает дополнительный вклад, известный как аномальный эффект Холла (или необычный эффект Холла ), который напрямую зависит от намагниченности материала, и часто намного больше обычного эффекта Холла. (Обратите внимание, что этот эффект равен , а не из-за вклада намагниченности в общее магнитное поле.) Хотя явление хорошо известное, в различных материалах до сих пор ведутся споры о его происхождении. Аномальный эффект Холла может быть либо внешним эффектом (связанный с беспорядком) из-за спин-зависимого рассеяния носителей заряда, либо внутренним эффектом , который можно описать с помощью эффекта фазы Берри в импульсном пространстве кристалла. ( к -пространство).
Приложения
Устройства на эффекте Холла производят очень низкий уровень сигнала и поэтому требуют усиления.Ламповые усилители, доступные в первой половине 20-го века, подходили для лабораторных приборов, но были слишком дорогими, энергоемкими и ненадежными для повседневного использования. Только с разработкой недорогой интегральной схемы датчик на эффекте Холла стал пригодным для массового применения. Многие устройства, которые сейчас продаются как «датчики на эффекте Холла», на самом деле представляют собой устройства, содержащие в одном корпусе как датчик, описанный выше, так и усилитель на интегральной схеме (IC) с высоким коэффициентом усиления.Недавние достижения привели к добавлению АЦП (аналого-цифровых) преобразователей и I²C (протокол связи между интегральными схемами) IC для прямого подключения к порту ввода-вывода микроконтроллера, интегрированных в единый корпус, см. Расширенный преобразователь тока на эффекте Холла. Электродвигатели с герконовым переключателем, использующие ИС на эффекте Холла, являются еще одним применением.
Зонды Холла часто используются для измерения магнитных полей или проверки материалов (например, труб или трубопроводов) с использованием принципов рассеяния магнитного потока.
Преимущества перед другими методами
Устройства на эффекте Холла при надлежащей упаковке невосприимчивы к пыли, грязи, грязи и воде. Эти характеристики делают устройства на эффекте Холла лучшими для определения положения, чем альтернативные средства, такие как оптическое и электромеханическое определение. Когда электроны проходят через проводник, создается магнитное поле. Таким образом, можно создать бесконтактный датчик тока. Устройство имеет три терминала. Напряжение датчика подается на два контакта, а третий обеспечивает напряжение, пропорциональное измеряемому току.У этого есть несколько преимуществ; Никакого дополнительного сопротивления (шунт , необходимый для наиболее распространенного метода измерения тока) вставлять в первичную цепь не требуется. Кроме того, напряжение, присутствующее в измеряемой линии, не передается на датчик, что повышает безопасность измерительного оборудования.
Преобразователь тока на эффекте Холла с ферритовым тороидом
Датчики Холла могут легко обнаруживать паразитные магнитные поля, в том числе земное, поэтому они хорошо работают как электронные компасы: но это также означает, что такие паразитные поля могут препятствовать точным измерениям малых магнитных полей.Чтобы решить эту проблему, датчики Холла часто интегрируют с каким-либо магнитным экраном. Например, датчик Холла, интегрированный в ферритовое кольцо (как показано), может уменьшить паразитные поля в 100 раз или лучше. Эта конфигурация также обеспечивает улучшение отношения сигнал / шум и эффекты дрейфа более чем в 20 раз по сравнению с «голым» устройством Холла. Диапазон данного проходного датчика может быть расширен вверх и вниз с помощью соответствующей проводки. Чтобы расширить диапазон до более низких токов, можно сделать несколько витков токоведущего провода через отверстие.Чтобы расширить диапазон до более высоких токов, можно использовать делитель тока. Делитель разделяет ток по двум проводам разной ширины, и более тонкий провод, по которому проходит меньшая часть общего тока, проходит через датчик.
Принцип увеличения числа «витков» проводника вокруг ферритового сердечника хорошо известен, каждый виток имеет эффект «усиления» измеряемого тока. Часто эти дополнительные повороты выполняются скобами на печатной плате.
Датчик с разъемным кольцом
В разновидности кольцевого датчика используется раздельный датчик, который закрепляется на линии, что позволяет использовать устройство во временном испытательном оборудовании. При использовании в стационарной установке раздельный датчик позволяет проверять электрический ток без демонтажа существующей цепи.
Аналоговое умножение
Выходной сигнал пропорционален приложенному магнитному полю и приложенному напряжению датчика. Если магнитное поле прикладывается соленоидом, выходной сигнал датчика пропорционален произведению тока через соленоид и напряжения датчика.Поскольку большинство приложений, требующих вычислений, теперь выполняются небольшими (даже крошечными) цифровыми компьютерами, оставшееся полезное приложение — измерение мощности, которое сочетает измерение тока с измерением напряжения в одном устройстве с эффектом Холла.
Измерение мощности
Измеряя ток, подаваемый на нагрузку, и используя приложенное к устройству напряжение в качестве напряжения датчика, можно определить мощность, рассеиваемую устройством. Эта мощность (для устройств постоянного тока) является произведением тока и напряжения.При соответствующем уточнении устройства могут применяться в приложениях переменного тока, где они способны считывать истинную мощность, производимую или потребляемую устройством.
Определение положения и движения
Устройства на эффекте Холла, используемые в датчиках движения и концевых выключателях движения, могут обеспечить повышенную надежность в экстремальных условиях. Поскольку внутри датчика или магнита нет движущихся частей, средний срок службы увеличивается по сравнению с традиционными электромеханическими переключателями.Кроме того, датчик и магнит могут быть заключены в соответствующий защитный материал.
Автомобильное зажигание и впрыск топлива
Если магнитное поле создается вращающимся магнитом, напоминающим зубчатое колесо, выходной импульс будет генерироваться каждый раз, когда зуб проходит мимо датчика. Он используется в современных автомобильных системах зажигания с первичным распределителем, заменяя прежний контактный прерыватель («точки», которые были подвержены износу и требовали периодической регулировки и замены).Подобные сигналы датчиков используются для управления многопортовыми последовательными системами впрыска топлива, в которых на впускной канал каждого цилиндра подается топливо из инжектора, состоящего из распылительного клапана, регулируемого соленоидом. Последовательности синхронизируются блоком управления двигателем (компьютером), чтобы соответствовать открытиям впускных клапанов и продолжительности каждой последовательности.
Определение вращения колеса
Определение вращения колеса особенно полезно в антиблокировочных тормозных системах. Принципы работы таких систем были расширены и уточнены, чтобы предложить больше, чем функции противоскольжения, теперь они включают расширенные усовершенствования « с управлением ».
Солнечная энергия для управления автомобилем
Точное и эффективное управление всеми аспектами энергии является критическим аспектом любого успешного солнечного автомобиля. Преобразователи тока на эффекте Холла являются идеальным решением благодаря их высокой точности, экологической устойчивости и низкому энергопотреблению.
Управление электродвигателем
В некоторых типах бесщеточных электродвигателей постоянного тока используются датчики на эффекте Холла для определения положения ротора и передачи этой информации в контроллер двигателя.
Промышленное применение
Применения для измерения эффекта Холла также распространились на промышленный рынок и рынок внедорожников, который теперь использует джойстики на эффекте Холла для управления гидравлическими клапанами, заменяя традиционные механические рычаги. Такие приложения включают в себя; Шахтные самосвалы, экскаваторы-погрузчики, краны, экскаваторы, ножничные подъемники и т. Д. Ведущим производителем промышленных джойстиков на эффекте Холла является PQ Controls, Inc., которая была одной из первых компаний, которая расширила использование датчиков Холла для таких приложений в 1980-х годов, и фактически владеет эксклюзивными патентами на бесконтактное считывание.
Эффект Корбино
Эффект Корбино — явление, подобное эффекту Холла, но металлический образец в форме диска используется вместо прямоугольного. Радиальный ток через круглый диск, на который действует магнитное поле, перпендикулярное плоскости диска, создает «круговой» ток через диск.
См. Также
Список литературы
- Общие
- Статья в Science World (wolfram.com).
- « Эффект Холла «. nist.gov.
- Холл, Эдвин, « О новом действии магнита на электрические токи «. Американский журнал математики, том 2, 1879 г.
- Обнаружен спиновый эффект Холла при комнатной температуре
Что такое клавишные переключатели на эффекте Холла
Магниты — это круто и ближе всего к магии в мире. Становится еще круче, когда вы узнаете о датчиках Холла и возможности получить аналоговый входной сигнал.Это та часть, которая нас интересует.
Датчик на эффекте Холла определяет положение магнита путем измерения смещенных электронов в токе, вызванном электромагнитной силой. Он часто используется для определения близости, позиционирования и скорости.
Это может быть что-то столь же простое, как ваш ноутбук, обнаруживающий закрытые маленькие моторы, для определения скорости или положения путем подсчета оборотов или джойстиков в контроллерах геймпада. Его даже используют в клавиатурах. Нарастает саспенс, мы приближаемся.
Клавиатурные переключатели на эффекте Холла имеют магнит, который излучает электромагнитную силу для смещения электронов в датчике на эффекте Холла.
Первые клавишные переключатели на эффекте Холла появились на рынке в 1968 году с использованием микропереключателей микропереключателей от Honeywell.
Источник: Deskthority.netВ наши дни ключи на эффекте Холла можно найти в отраслях, где требуется высокая надежность. Такие как аэрокосмические, подводные устройства и военные. Благодаря надежному и долговечному характеру технологии.
Вы не часто найдете его в клавиатурах потребительского уровня, поскольку массовое производство было дорогим. Однако в наши дни сами датчики Холла относительно недороги. И используется для множества различных приложений (эффект масштаба). Теперь, когда переключатели клавиатуры также широко доступны, это проблема прошлого.
Самая последняя попытка сделать клавиатуру на эффекте Холла потребительского уровня или магнитную клавиатуру, если хотите, была предпринята компанией Acepad Technology (APT). Они сделали собственный магнитный переключатель со стандартным датчиком Холла на печатной плате.
Но все эти клавиатуры объединяет то, что они были созданы для цифрового ввода. Не аналоговый вход. Бенджамином Хекендорном в шоу Бена Хека в 2012 году была только одна попытка (сделанная своими руками) создать клавиатуру с аналоговым входом. Он гений и все еще активен в Твиттере. Но это далеко не что-то стандартное и доступное.
Это то, что мы хотим изменить, и создали собственные переключатели клавиатуры с эффектом Холла в Wooting: переключатель Lekker.
Давайте погрузимся и разберем всю эту информацию в упрощенной форме.
Что такое эффект Холла
Эффект Холла — это измерение смещенных электронов в электрическом токе, вызванном электромагнитной силой. Эта электромагнитная сила — это магнит. Электрический ток — это все, что проводит электричество.
Магнит имеет невидимое «магнитное» поле, которое излучается из его ядра, подобно гравитации земли, притягивая или отталкивая объекты с магнитными свойствами. Как сталь, но не алюминий.
Это магнитное поле также втягивает или отталкивает электроды (электрические шары) в электрическом токе (потоке электричества), вызывая разделение положительных и отрицательных электродов.Что можно измерить с помощью другого электрического тока, подключенного с одной стороны к положительному и отрицательному электродам с другой стороны, создавая разность потенциалов (скорость электрического тока, протекающего из одной точки в другую).
Другими словами. Представьте себе, что разделение между положительным и отрицательным электродами такое же, как в батарее с минусовой и плюсовой сторонами. Теперь, чтобы создать электрический поток, вы соединяете минус и плюс с помощью медного провода. Чтобы узнать, насколько быстрым или сильным является электрический поток, вы подключаете лампочку между ними.Прямо как те игрушки по электротехнике.
Батарея немного необычна (вы получили ее от Taobao), и электричество в ее ядре делает круги, а не течет между минусом и плюсом. Облом, это не работает.
Однако, когда вы помещаете рядом магнит, он начинает расщеплять это электричество на отрицательный и положительный заряд. И толкает его в соответствующие плюсы и минусы. Возник электрический поток, и внезапно загорится лампочка!
Когда вы помещаете магнит ближе к батарее, он начинает разделять еще больше отрицательного / положительного заряда, и лампочка становится еще ярче.Вы убираете его дальше, и яркость лампы уменьшается.
Это явление называется эффектом Холла.
Теперь представьте, что упомянутый магнит прикреплен к стержню переключателя и датчику под ним на печатной плате. Тада! Теперь у вас есть клавиатура на эффекте Холла.
Видео
Chyrosran22 для Tom’s Hardware очень хорошо объясняет эту концепцию и ее преимущества. Рекомендуемые часы.
Преимущества использования магнитов
Датчик Холла
- Простая конструкция
- Нет внешних зависимостей
- Эксплуатационные характеристики не зависят от условий окружающей среды.
Сердцем этой технологии можно считать датчик Холла. Если вы не умеете паять, клавиатура сломается или сломается.
Датчики на эффекте Холла в наши дни представляют собой комплексные интегральные схемы (ИС). Они хорошо защищены от электромагнитных помех (EMI), имеют простую конструкцию и не зависят друг от друга. Между датчиком и магнитом не требуется физического соединения.
Кроме того, на его эксплуатационные характеристики не влияют никакие условия окружающей среды, такие как вода, пыль, свет или грязь.
Неудивительно, что его надежность и долговечность используется в критически важных отраслях промышленности.
Магнитный переключатель
- Физическое соединение не требуется
- Без отказов
- Более гладкий пресс
- Возможность горячей замены
- Можно наклеить на холодильник
Что касается самого переключателя, вы можете взять любой переключатель на рынке, прикрепить магнит к стержню и вуаля, он работает.Вы даже можете взять магнит и обвести его вокруг датчиков, и они отреагируют.
Конечно, когда дело доходит до распознавания аналогового входного сигнала, все немного сложнее. Расположение магнита по направлению к датчику. И калибровка между магнитом и датчиком сильно влияет на результат. Но основная концепция остается.
Поскольку нет соединения между датчиком и переключателем, переключатель может быть заменен в горячем режиме. Долговечность переключателя полностью зависит от магнита и самого качества переключателя.Даже если он выйдет из строя, вы можете поменять его на новый.
Кроме того, есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что отсутствие физического соединения предотвращает подпрыгивание и обеспечивает более плавное переключение.
Если задуматься, он не так уж сильно отличается от оптических переключателей Flaretech. Они заменяются в горячем режиме, без дребезга, шелковисто-гладкие и могут работать до 100 миллионов нажатий. А когда случится сбой, вы можете поменять его на другой.
Магнитный переключатель Lekker
Переключатель Lekker — это клавишный переключатель на эффекте Холла для аналогового ввода, созданный Wooting.Он сделан с учетом простоты и простоты аналогового ввода. Цель состоит в том, чтобы облегчить любому (небольшому) производителю клавиатуры возможность интегрировать ее в дизайн своей клавиатуры для аналогового ввода.
На момент написания статьи доступен только в одном варианте, в разработке находятся другие варианты .. Lekker Linear65.
| Концевая сила ключа: | 65cN |
| Перк: | Линейный |
| Аналог: | Да, полный диапазон |
| Срок службы: | 100000000 кликов |
| Debounce: | 0.03 мс |
| Тактильная обратная связь: | Нет |
| Звуковая обратная связь: | Нет |
| Общий ход: | 4 мм |
| Точка срабатывания: | 0,1 — 3,8 мм (бета-версия) |
| Точка сброса: | 0,1 — 3,8 мм (бета-версия) |
| Стержень крышки ключа: | MX (крестовина) |
| Крепление: | На плите |
| с возможностью горячей замены: | Есть |
В переключателе Lekker используется датчик Холла, изготовленный на заказ; оптимизирован для считывания последовательного аналогового входного сигнала во всем диапазоне переключения.Магнит в переключателе леккера откалиброван с датчиком.
Для дальнейшего улучшения аналогового входного сигнала мы использовали нашу специальную прошивку. Прошивка Wooting сглаживает и преобразует ввод в пригодные для использования цифровые данные. Прошивка Wooting поддерживает Wootility, которая поставляется со всеми клавиатурами Wooting.
Это позволяет использовать уникальные функции клавиатуры, такие как:
Альтернативой является использование аналогового SDK Wooting с открытым исходным кодом для подключения аналогового входа к приложению.
Если вы производитель / производитель клавиатур и хотели бы создать собственную клавиатуру с аналоговым вводом с использованием переключателей Lekker, вы можете связаться с Wooting напрямую в социальных сетях @ wooting.io.
Принцип Холла #Melexis
Принцип эффекта Холла назван в честь физика Эдвина Холла. В 1879 году он обнаружил, что когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение можно измерять под прямым углом к пути тока. Распространенная аналогия, популярная во время открытия Холла, заключалась в том, что электрический ток в проводе течет по трубопроводу. Согласно теории Холла, сила магнитного поля приравнивается к току, что приводит к скоплению на одной стороне «трубы» или провода.Теория электромагнитного поля позволила более тонко интерпретировать физику, ответственную за эффект Холла.
Хорошо известно, что эффект Холла возникает в результате взаимодействия заряженных частиц, таких как электроны, в ответ на электрические и магнитные поля. Превосходное, подробное, но хорошо читаемое объяснение можно найти в книге Эда Рамсдена «Датчики эффекта Холла; теория и приложения». А также в Википедии.
Первоначально это открытие использовалось для классификации химических образцов.Разработка полупроводниковых соединений арсенида индия в 1950-х годах привела к появлению первых полезных магнитных инструментов на эффекте Холла. Датчики на эффекте Холла позволяют измерять постоянное или статическое магнитное поле, не требуя движения датчика. В 1960-х годах популяризация кремниевых полупроводников привела к появлению первых комбинаций элементов Холла и интегральных усилителей. Это привело к созданию теперь уже классического переключателя Холла с цифровым выходом.
Постоянное развитие технологии датчиков Холла привело к переходу от одноэлементных устройств к двойным ортогонально расположенным элементам.Это было сделано, чтобы минимизировать смещения на зажимах напряжения Холла.
Следующая разработка представила квадратные или четырехэлементные преобразователи. В них использовались четыре элемента, ортогонально расположенных в виде моста. Все кремниевые сенсоры той эпохи были построены на основе процессов биполярного перехода в полупроводниках.
Переход на КМОП-процессы позволил реализовать стабилизацию прерывателя в усилительной части схемы. Это помогло уменьшить ошибки за счет уменьшения ошибок смещения входного сигнала на операционном усилителе.Все ошибки в цепи стабилизации без прерывателя приводят к ошибкам порога точки переключения для датчиков цифрового типа или ошибкам смещения и усиления в датчиках с линейным выходом.
Текущее поколение КМОП-датчиков Холла также включает схему, которая активно переключает направление тока через элементы Холла. Эта схема устраняет ошибки смещения, характерные для полупроводниковых элементов Холла. Он также активно компенсирует ошибки смещения, вызванные температурой и деформацией. Общий эффект переключения активной пластины и стабилизации прерывателя дает датчики эффекта Холла с улучшением на порядок дрейфа точек переключения или ошибок усиления и смещения.
Melexis использует исключительно процесс CMOS для достижения наилучшей производительности и наименьшего размера кристалла. Текущие разработки в технологии датчиков на эффекте Холла можно объяснить, главным образом, интеграцией сложных схем формирования сигнала в ИС Холла.
Melexis представила первую в мире программируемую линейную ИС Холла. Он обеспечивает программируемые функциональные характеристики, такие как усиление, смещение, температурный коэффициент усиления (для компенсации тепловых зависимостей различных магнитных материалов).В новейшие микросхемы Холла встроены ядра микроконтроллеров, что делает датчик еще более «умным» с программируемыми алгоритмами ПЗУ для сложной обработки сигналов в реальном времени.
Пример того, как Melexis использует эффект Холла
Продукция Melexis с эффектом Холла
Причина и следствие: Поиск и устранение неисправностей датчиков Холла
Лампа с китовым маслом освещала место над кухонным столом, где Эдвин работал над тонкой прямоугольной полосой из золотой фольги.Он мог видеть свое отражение в полосе, и его мысли на мгновение заблудились, когда он подумал о том, каким усталым он выглядел. Было очень поздно, но Эдвин задумал что-то новое, что-то очень новое. Эдвин Холл работал над теорией электронного потока Кельвина, которая была представлена около 30 лет назад в 1849 году. Во время работы он случайно заметил, что если ток течет через золотую полоску, а магнитное поле помещается перпендикулярно одной стороне полосы, на краях полосы обнаруживалась разность электрических потенциалов.Это открытие было приписано доктору Эдвину Холлу, и теперь оно называется эффектом Холла.
Как и многие другие открытия, блестящее наблюдение доктора Холла пришло не в результате его поиска, а в результате наблюдения чего-то необычного и последующего воздействия на него. Эффект Холла известен уже более 100 лет, но приложения для его использования не были разработаны до последних нескольких десятилетий. Автомобильная промышленность применила эту технологию ко многим системам, используемым в современных транспортных средствах, включая трансмиссию, систему контроля кузова, контроль тяги и антиблокировочную тормозную систему.Чтобы охватить эти различные системы, датчик на эффекте Холла конфигурируется несколькими способами / переключением, аналоговым и цифровым. Это датчики приближения; они не имеют прямого контакта, но используют магнитное поле для активации электронной схемы.
Эффект Холла может быть получен с использованием таких проводников, как металлы и полупроводники, и качество эффекта меняется в зависимости от материала проводника. Материал будет напрямую влиять на протекающие через него электроны или положительные ионы.В автомобильной промышленности обычно используются три типа полупроводников для изготовления элемента Холла / арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs). Самый распространенный из этих полупроводников — арсенид индия. Как и в эксперименте доктора Холла, важно, чтобы проводник был прямоугольным и очень тонким. Это позволяет протекающим через него носителям разделяться и объединяться по краям.
Теперь давайте посмотрим на принцип эффекта Холла (рис. 1 и 2 выше). Если ток течет через проводник, а магнитное поле (магнитный поток) может перемещаться через проводник перпендикулярно потоку тока, заряженные частицы дрейфуют к краям прямоугольной полосы.Эти заряженные частицы собираются на краях поверхности. Магнитный поток передает силу на проводник, которая заставляет напряжение (положительную силу) дрейфовать к одному краю, а электроны (отрицательная сила) дрейфовать к противоположному краю. Сила, действующая на текущий поток, называется силой Лоренца.
Пока к проводнику прикладывается магнитная сила, держатели остаются на противоположных сторонах, создавая падение напряжения на проводнике. Этот перепад напряжения и есть напряжение Холла. Он пропорционален току, протекающему через него, напряженности магнитного поля и типу материала проводника.Если любая из этих трех переменных изменится, разность напряжений на проводнике также изменится. Вот почему элемент Холла должен иметь регулируемое напряжение, подаваемое на путь тока. Если ток регулируется и материал проводника задан, остается изменить только магнитную напряженность. Когда магнитная напряженность изменяется до угла 90 ° по отношению к пути тока, падение напряжения на проводнике также изменяется. Чем сильнее магнитный поток, тем больше падение напряжения на проводнике.
Генерируемое напряжение Холла является аналоговым сигналом. Этот сигнал Холла очень мал / обычно около 30 микровольт при магнитном поле 1 гаусс. Из-за небольшого генерируемого напряжения сигнал Холла необходимо усилить, если устройство будет использоваться в практических целях.
Тип усилителя, который лучше всего подходит для использования с элементом Холла, — это дифференциальный усилитель (рис. 3 на стр. 56), который усиливает только разность потенциалов между положительным и отрицательным входами.Если нет разницы напряжений между положительным и отрицательным входами усилителя, выходное напряжение усилителя не будет. Однако при наличии разности напряжений эта разница будет иметь линейное усиление. Величина усиления определяется дифференциальным усилителем, используемым в схеме.
Элемент Холла подключен напрямую к дифференциальному усилителю, поэтому активность элемента Холла отражается усилителем. Когда магнитное поле отсутствует в элементе Холла, не создается напряжение Холла и отсутствует выходное напряжение из усилителя.Когда к элементу Холла прикладывается магнитное поле, на элементе создается напряжение Холла. Дифференциальный усилитель обнаруживает этот перепад напряжения и усиливает его.
Способ использования датчика Холла определяет изменения схемы, необходимые для обеспечения правильного вывода на устройство управления. Этот выходной сигнал может быть аналоговым, например датчик положения ускорения или датчик положения дроссельной заслонки, или цифровым, например датчиком положения коленчатого или распределительного вала.
Давайте рассмотрим эти различные конфигурации датчика Холла.Когда элемент Холла должен использоваться для аналогового датчика, который может использоваться для шкалы температуры в системе климат-контроля или датчика положения дроссельной заслонки в системе управления трансмиссией, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а усилитель — к транзистору NPN (рис. 4). Магнит прикреплен к вращающемуся валу. Когда вал вращается, магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла пропорционально напряженности магнитного поля.
Если бы вал дроссельной заслонки контролировался PCM, магнит вращался бы вместе с валом дроссельной заслонки. На холостом ходу дроссельная заслонка была закрыта. В этом случае напряженность магнитного поля будет низкой, а создаваемое напряжение Холла будет низким. Дифференциальный усилитель будет иметь небольшую разность потенциалов, а выход усилителя будет низким. База транзистора NPN будет получать выходной сигнал усилителя.
Поскольку напряжение на базе низкое, усиление транзистора NPN также низкое.В этом состоянии выходное напряжение TPS будет порядка 1 вольт. Когда двигатель находится под нагрузкой, вал дроссельной заслонки вращается, открывая дроссельную заслонку. При вращении вала дроссельной заслонки магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла увеличивается пропорционально напряженности магнитного поля. Когда напряжение Холла увеличивается, дифференциальный усилитель получает свою разность потенциалов. Затем усилитель усиливает разницу между отрицательным и положительным входами.Этот возрастающий выходной сигнал отправляется на базу транзистора NPN, который затем усиливает сигнал, создавая выходной сигнал датчика положения дроссельной заслонки. Этот линейный выходной сигнал пропорционален вращению вала дроссельной заслонки.
Выходные данные TPS отправляются в PCM, где он сообщает угол вала дроссельной заслонки. Микропроцессор PCM не может напрямую считывать аналоговое напряжение, отправляемое с TPS. Этот сигнал должен быть преобразован в двоичный формат — 1 и 0. Для этого используется устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем.В большинстве случаев используется 8-битный аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует уровень напряжения в последовательность единиц и нулей, которые микропроцессор может декодировать и использовать для определения фактического угла вала дроссельной заслонки.
Когда элемент Холла должен использоваться для цифрового сигнала, например, в датчике положения коленчатого или распределительного вала или датчике скорости транспортного средства, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, который подключен к триггеру Шмитта. В этой конфигурации датчик выдает цифровой сигнал включения / выключения.В большинстве автомобильных цепей датчик Холла является поглотителем тока или заземляет сигнальную цепь. Для этого к выходу триггера Шмитта подключается NPN-транзистор (рис. 5). Магнит расположен напротив элемента Холла. Спусковое колесо, или цель, расположено так, чтобы затвор мог находиться между магнитным полем и элементом Холла.
Когда затвор не находится между магнитом и элементом Холла, магнитное поле проникает через элемент Холла, создавая напряжение Холла.Это напряжение подается на положительный и отрицательный входы дифференциального усилителя. Усилитель повышает это дифференциальное напряжение и отправляет его на вход триггера Шмитта (цифрового пускового устройства). Когда напряжение от дифференциального усилителя увеличивается, оно достигает порога включения или рабочей точки. В этой точке срабатывания триггер Шмитта меняет свое состояние, позволяя отправить сигнал напряжения.
Точка срабатывания (отключения) установлена на более низкое напряжение, чем точка включения.Цель этой разницы между точками включения и выключения (гистерезис) состоит в том, чтобы исключить ложное срабатывание, которое может быть вызвано незначительными отклонениями от дифференциального усилителя. Триггер Шмитта включается, и выходное напряжение отправляется на базу NPN-транзистора. Когда на базе транзистора присутствует напряжение, транзистор включен.
Регулятор напряжения блока управления подает напряжение на резистор или нагрузку. Схема резистора подключена к коллектору транзистора NPN, и когда NPN включен, ток течет в коллектор и выходит из эмиттера на землю.В этом состоянии сигнал заземлен. Поскольку резистор находится внутри блока управления, напряжение находится на плече заземления и будет падать очень близко к напряжению заземления.
При вращении спускового колеса затвор перемещается между магнитом и элементом Холла. Так как спусковое колесо сделано из железа, оно притягивает магнитное поле к затвору. В этот момент элемент Холла больше не имеет магнитного поля, проникающего через него, и напряжение Холла не создается. Без напряжения Холла дифференциальный усилитель не имеет выхода на триггер Шмитта.В свою очередь, триггер Шмитта не имеет выхода напряжения на базу NPN-транзистора, и транзистор меняет состояние и закрывается. Затем земля снимается с груза. Это создает разрыв цепи. В разомкнутой цепи присутствует напряжение источника. Если бы регулятор напряжения был источником 5 вольт, то напряжение в разомкнутой цепи было бы 5 вольт. При вращении заслонка выдвигается между магнитом и элементом Холла. Включается цепь, замыкающая заземляющую ногу от нагрузки.Таким образом, напряжение сигнала падает очень близко к земле. Этот цикл повторяется для создания цифрового сигнала от датчика Холла с экранированным полем.
Зубчатый датчик Холла (рис. 6) — это еще один тип цифровых датчиков включения / выключения. Над элементом Холла помещается магнит смещения. В этом датчике магнитное поле всегда проникает через элемент Холла, и всегда присутствует напряжение Холла. Когда зуб шестерни или цель проходит под элементом Холла, магнитное поле в элементе усиливается.По мере усиления магнитного поля напряжение Холла увеличивается. Это напряжение отправляется в схему, которая сравнивает выходное напряжение без зубцов Холла с выходным напряжением Холла.
Для срабатывания этого датчика цель должна пройти мимо элемента Холла. В положении без зубцов конденсатор заряжается для хранения незубчатого напряжения Холла, чтобы можно было сравнить его с зубчатым напряжением Холла. Когда передний край зуба приближается к датчику, напряжение Холла увеличивается до заданной рабочей точки.В этот момент компаратор отправляет сигнал в схему триггера. Триггер подает сигнал напряжения на транзистор NPN и включает его. Транзистор NPN подключен к цепи резистора в блоке управления.
Одна сторона резистора подключена к регулятору напряжения, другая сторона — к коллектору NPN-транзистора. Когда транзистор меняет состояние и включается, сигнальное напряжение сбрасывается на землю. Когда цель вращается и задняя кромка зубца проходит через датчик Холла, напряжение падает ниже заданной точки срабатывания, и компаратор подает напряжение на цепь запуска и выключает транзистор NPN.Затем транзистор меняет состояние и размыкает цепь. Теперь в сигнальной цепи присутствует напряжение источника. Если регулятор представляет собой источник 5 В, напряжение сигнала теперь составляет 5 В. Когда зуб проходит под датчиком Холла, цепь активируется и тянет этот 5-вольтовый сигнал на землю. Этот цикл повторяется для создания цифрового выходного сигнала датчика Холла с зубцами шестерни.
Для поиска неисправностей в этих цепях (см. Рис. 7 и 8) следует измерить падение напряжения на питании, заземлении и сигнале.Если сигнал правильный на низком и высоком выходах, питание и заземление также будут в норме. Если источником питания является аккумуляторное напряжение, регулятор напряжения расположен внутри датчика Холла. Если питание подается от электронного модуля, регулятор напряжения находится в этом модуле. Если источник питания падает из-за падения напряжения (сопротивления) или из-за проблемы регулятора, выходной сигнал также упадет. Если напряжение питания увеличивается, выходной сигнал также увеличивается. Если напряжение земли увеличивается из-за падения напряжения (сопротивления), выходной сигнал также увеличивается.
При использовании аналогового датчика Холла при падении напряжения или обрыве цепи между датчиком Холла и модулем управления напряжение сигнала будет правильным на датчике, но неправильным на модуле. Если напряжение на модуле правильное, а напряжение на диагностическом приборе неправильное, то проблема в аналого-цифровом преобразователе внутри блока управления. Перед заменой блока всегда проверяйте питание, массу и сигналы на модуле управления.
Осциллограф необходим для поиска и устранения неисправностей цифрового датчика.Следующие рекомендации помогут вам поставить диагноз:
• С цифровым датчиком на эффекте Холла, если сигнал на датчике высокий, прерывистый или полностью отсутствует, цепь от модуля управления исправна.
• Различные блоки управления используют разные уровни напряжения сигнала; Обычны 5, 8, 9 и 12 вольт. Этот уровень напряжения сигнала должен быть в пределах 10% от целевого напряжения, иначе блок управления не обнаружит изменение состояния напряжения.
• Если сигнал низкий, прерывистый или полностью неработающий, регулятор напряжения или цепь в блоке управления могут быть неисправны, сигнальный провод может быть разомкнут или заземлен, или датчик эффекта Холла может быть неисправен и тянет сигнал на землю.
• Если уровень напряжения заземления датчика не находится в пределах 10% от напряжения заземления транспортного средства, блок управления не обнаружит изменение состояния сигнала.
• Если напряжение остается высоким или низким, убедитесь, что цель движется.
• При выходе из строя нескольких датчиков Холла убедитесь, что цель не попадает в один из них.
• Когда сигнальный провод Холла закорочен или периодически или постоянно закорочен на источник питания, он сгорает в электронных схемах внутри датчика Холла и обычно приводит к замыканию сигнала на землю.Датчик Холла рассчитан на ток 20 миллиампер или меньше. Резистор расположен в сигнальной цепи, поэтому он может ограничивать ток, протекающий через эту цепь. Если сопротивление этого резистора упадет, ток увеличится, что приведет к отказу нескольких датчиков Холла.
Существует множество конфигураций датчиков Холла. Все эти устройства работают по одним и тем же основным принципам, описанным здесь. Когда вы работаете в сервисном отделении, позвольте своему блеску сиять, как доктор Эдвин Холл.Обратите внимание на то, что необычно, и действуйте в соответствии с этим.
Скачать PDF
.