Преобразователи Холла. 
Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 1

Преобразователи Холла основаны на использовании эффекта Холла, который был обнаружен в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Эффект Холла вызывается силой Лоренца, которая действует на подвижные носители электрических зарядов в проводнике, когда на них действует магнитное поле перпендикулярно направлению тока.

Преобразователь Холла — это прибор, позволяющий измерить величину напряженности магнитного поля, который включает первичный преобразователь — датчик Холла и измерительную цепь. Принцип действия датчика Холла основан на возникновении разности потенциалов между гранями полупроводниковой пластины при протекании через нее тока в параллельном этим граням направлении и воздействии перпендикулярного току магнитного поля.

Он представляет собой полупроводниковую пластину с подсоединенными к ней попарно симметричными перпендикулярными проводами (рис. 10.21).

Рис. 10.21. Пояснение возникновения эффекта Холла.

К одной паре проводов подсоединяется источник питания напряжением порядка 5 В, вследствие чего через пластину начинает течь ток управления /_упр. При внесении датчика во внешнее магнитное поле с индукцией В на носители заряда начинает действовать сила Лоренца, которая, отклоняя часть из них, создает ЭДС Холла Е_х между двумя другими проводами, которая очень мала (сотые доли вольта). Для усиления Е_х обычно используется дифференциальный усилитель.

Значение Е_х определяется следующим выражением:

где К — константа Холла; 5 — толщина пластины полупроводника.

Выпускаемые датчики индукции магнитного поля в одном корпусе кроме датчика Холла содержат усилитель, а также некоторые аналоговые и цифровые устройства. Такие датчики имеют, как правило, три вывода: питание, общий и выход.

Основные параметры:

• • тип выходного сигнала;
• • тип чувствительности к полю;
• • магнитная индукция;
• • максимальная чувствительность S;
• • максимальная рабочая частота/_тах;
• • максимальный выходной ток /_{вых тах};
• • напряжение питания U_n.

Примеры обозначений датчиков Холла: ДХК-0,5; A3516LUA; TLE4905L.

Область применения: системы контроля положения вращающихся устройств, контроль величины протекающего тока.

Наибольшее применение на практике датчики Холла нашли в таких преобразователях, как датчики тока. Рассмотрим принципы построения некоторых из них.

На рис. 10.22 приведена упрощенная схема датчика тока прямого усиления. Измеряемый ток I, протекая по проводнику 1 создает магнитное поле в кольцевом магнитопроводе 2. В зазоре магнитопровода расположен преобразователь Холла 3. Ток управления преобразователя Холла создается стабилизированным источником тока /_с. Полученная ЭДС Холла усиливается дифференциальным усилителем 4, с выхода которого снимается выходное напряжение датчика U_Bblx.

Рис. 10.22. Упрощенная схема датчика тока прямого усиления:

1 — проводник; 2 — магнитопровод; 3 — датчик Холла; 4 — дифференциальный усилитель В пределах линеинои области петли гистерезиса магнитная индукция В, а следовательно, и выходное напряжение датчика t/_Bb]X, пропорциональны измеряемому току I.

Датчики тока прямого усиления позволяют измерять постоянный ток, переменный ток и токи других форм с гальванической развязкой. Они позволяют измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сот килоампер с точностью в несколько процентов. Датчики тока прямого усиления отличаются низкой потребляемой мощностью и уменьшенными габаритными размерами.

Точность преобразования зависит от различных факторов, таких как электрические параметры схемы и параметры, связанные с температурой магнитопровода и окружающей среды.

Характеристики датчиков тока прямого усиления могут быть существенно улучшены применением 100% обратной связи по току. Такие датчики получили название датчиков тока компенсационного типа или датчиков с нулевым потоком.

На рис. 10.23 приведена упрощенная схема датчика тока компенсационного типа.

В схему датчика прямого усиления дополнительно введены усилитель мощности 1 и обмотка обратной связи 2, расположенная на кольцевом магнитопроводе.

В то время как датчики прямого усиления дают выходное напряжение U_BUX, пропорциональное увеличенной ЭДС Холла Е_х, компенсационные датчики обеспечивают выходной ток /_вых, пропорциональный ЭДС Холла, который действует как сигнал обратной связи, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое первичным током I, магнитным полем, создаваемым выходным током /_вых. Таким образом, система действует при нулевом магнитном потоке.

Рис. 10.23. Упрощенная схема датчика тока компенсационного типа:

1 — проводник; 2 — магнитопровод Достоинствами компенсационных датчиков тока являются:

• • высокая точность (около 1%);
• • хорошая линейность;
• • малый температурный дрейф;
• • быстрое время отклика и широкий частотный диапазон;
• • отсутствие дополнительных потерь в измерительной цепи;
• • при необходимости токовый выход датчика легко преобразовать в напряжение;
• • выдерживают перегрузки по току без повреждения.

Датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, построены на тех же принципах, что и датчики тока. Практически они выполнены на базе датчиков тока, а главное отличие состоит в том, что в первичной цепи катушка изготовлена с большим количеством витков. Это позволяет создать необходимое количество ампер-витков для создания первичной индукции, и, таким образом, при минимальном значении первичного тока, обеспечивается минимальное потребление мощности из входной цепи.

Поэтому для измерения напряжения достаточно обеспечить первичный ток, эквивалентный тому напряжению, которое и будет преобразовывать датчик. Это достигается с помощью резистора, включенного последовательно с первичной обмоткой.

Примеры обозначений датчиков тока и напряжения фирмы LEM, основанных на эффекте Холла, соответственно: LA125-P, LV25−1200.

Датчики тока и напряжения, основанные на эффекте Холла, применяются в различных отраслях промышленности: в устройствах, обеспечивающих измерение, преобразование, регулирование и контроль электрического тока; в датчиках положении, расхода, угла поворота, вибраций и др.