Эффект холла принцип работы, объяснение теории, формула

Датчик Холла в телефоне или планшете – что это?

Датчик Холла, служащий для определения наличия магнитного поля, носит имя ученого — физика, открывшего одноименный принцип. А именно: было обнаружено, что в проводнике, попадающем в магнитное поле, изменялось напряжение тока, появляется ЭДС (электродвижущая сила). Подобные элементы устройств бывают цифровые и аналоговые.

Этот датчик определяет наличие магнитного поля.

Зачем нужен датчик Холла? Если магнитное поле есть, прибор показывает цифру — его величину. Причем аналоговый показывает его полярность, помимо значения. А цифровой при отсутствии поля выдает «ноль», в присутствии — некоторую цифру.

Области применения датчиков Холла

Датчиками Холла укомплектованы многие устройства, а также они применяются сами по себе для измерения напряженности поля. Это электрические и ракетные двигатели, система зажигания автомобилей, измерители, приборы с бесконтактным воздействием.

Датчик Холла помогает автоматически отключать экран девайса, когда чехол закрыт.

Устройства для мобильной связи также содержат в своем составе этот сенсор. За что отвечает датчик Холла в смартфоне? В современном устройстве мобильной связи данный прибор является измерительным элементом, распознающим присутствие, отсутствие, интенсивность и изменение магнитного поля. Возможности датчика не ограничиваются измерениями. Также он определяет наличие возможности бесконтактного взаимодействия.

На датчике Холла основан магнитометр, присутствующий во многих «навороченных» и продвинутых мобильных устройствах. Но не во всех случаях подобная возможность реализуется полностью. В основном, это две следующие функции.

• Компас для программ навигации, позволяющий быстрее определять местоположение и направление.
• Взаимодействие смартфона с аксессуарами, например, с магнитным чехлом, блокирующим экран при его открытии. Или включение, выключение дисплея в раскладных телефонах при движении крышки.

Принцип действия датчика

Контролируя состояние устройства, датчик Холла осуществляет бесконтактное переключение от нерабочего режима к рабочему и обратно. Бесконтактный способ исключает загрязнение и механические нагрузки. Можно представить себе этот элемент в виде пластины из полупроводника с малой толщиной.

Когда постоянный ток проходит через него, на краях появляется малое напряжение. Магнитное поле, как известно, проходит перпендикулярно электрическому и усиливает эту величину пропорционально магнитной индукции. Датчик Холла создает электрические импульсы с низким напряжением, что и нашло применение в бесконтактных системах, реализующих принцип сенсорного реагирования.

Датчик Холла в устройствах мобильной связи: планшетах, смартфонах, телефонах

При наличии датчика Холла (Hall sensor) в конструкции смартфонов и планшетов, особенно дорогостоящих, он выполняет функцию реагирования на усиление поля. Производители не указывают присутствие этого элемента в устройстве. Но «умный чехол», имеющийся в числе аксессуаров для планшета, смартфона, обязательно связан с ним. С помощью этого дополнения планшет разблокируется или блокируется при открытии и закрытии соответственно.

В чехол встроен магнит, реагирующий на датчик Холла в планшете. Когда оболочка закрыта, магнит находится рядом с сенсором Холла, что блокирует экран. При открытии «книжки» — чехла магнит отдаляется, экран включается. Такое дополнение к планшету не вредит самому устройству, как некоторые могут подумать.

Датчик Холла в телефоне реализует не все функции из-за недостатка места, экономии потребления энергии и финансовой нецелесообразности. Однако, он ускоряет поиск GSM в устройствах, взаимодействует с дополнениями типа чехла, с помощью которого сенсор принимает решения по активизации экрана.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
2. Гальванометр подключался к краям проводника.
3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Замена датчика холла на ВАЗ 2107

Если после диагностики выяснилось, что ДХ вышел из строя, то его следует незамедлительно поменять. Как же заменить датчик холла? Выполнить операцию можно самостоятельно, сэкономив деньги на обращении в автосервис. Для работы вам понадобится нехитрый набор инструментов:

• молоток;
• плоская отвёртка;
• рожковый ключ 13 мм;
• плоскогубцы или небольшие пассатижи.

Желательно проводить операцию в гараже, с хорошо освещённым верстаком, за которым можно удобно расположиться и разложить снятые детали распределителя зажигания. Процесс выглядит следующим образом:

1. Отключаем минусовую клемму от АКБ.
2. Выставляем верхнюю мёртвую точку на 1-м цилиндре или отмечаем маркером местоположение трамблёра на корпусе (чтобы затем не настраивать зажигание).
3. Вынимаем высоковольтные провода из крышки распределителя зажигания.
4. Отсоединяем резиновый шланг от вакуумного регулятора.
5. Отключаем снизу разъём 3-контактной колодки.
6. Ключом 13 мм отворачиваем болт крепления трамблёра к двигателю (под гайкой находится шайба и пластина, не потеряйте их).
7. Снимаем распределитель из посадочного места и переносим его на верстак.
8. Отщёлкиваем застёжки на крышке трамблёра и снимаем её (рекомендуется осмотреть уголёк, боковые электроды и корпус на присутствие/отсутствие дефектов).
9. Демонтируем бегунок, предварительно открутив 2 болта плоской отвёрткой, а затем потянув его на себя (разобрать узел рекомендуется для инспекции).
10. Плоскогубцами снимаем нижний пружинный штифт с вала или помогаем ему выскочить молотком.
11. Вынимаем нижний маслоотражатель и шайбу (вытираем их тряпкой).
12. Тянем за центробежный автомат и вытаскиваем из корпуса распределителя вал. (Его необходимо протереть бензином, соляркой или растворителем, после чего рекомендуется шлифануть мелкозернистой наждачной бумагой).
13. Откручиваем винты вакуумного корректора и снимаем его.
14. Откручиваем 2 винта крепления трёхштекерной колодки.
15. Выкручиваем плоской отвёрткой на опорной пластине 2 болта датчика холла.
16. Вынимаем провода из посадочного места и полностью достаём ДХ.
17. Устанавливаем новый ДХ.

Сборку трамблёра и всего узла осуществляем в обратном порядке. Предварительно все детали рекомендуется помыть специальным составом, например, очистителем карбюратора или аналогичными средствами на основе ацетона.

Для справки. Если планируете прокачать «семёрку» установкой БСЗ, то эксперты рекомендуют заодно поменять свечи зажигания (марка — А17ДВР) и установить комплект высоковольтных проводов «TESLA силикон» с медными контактами.

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле с индукцией B{\displaystyle B} течёт электрический ток с плотностью j{\displaystyle j} под действием напряжённости E{\displaystyle E}. Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1{\displaystyle E_{1}} не скомпенсирует силу Лоренца:

eE1=evB⇒E1=vB.{\displaystyle eE_{1}=evB\Rightarrow E_{1}=vB.}

где e{\displaystyle e} — электрический заряд электрона.

Скорость электронов v{\displaystyle v} можно выразить через плотность тока j{\displaystyle j}:

j=nev⇒v=jne,{\displaystyle j=nev\Rightarrow v={\frac {j}{ne}},}

где n{\displaystyle n} — концентрация носителей заряда. Тогда

E1=1nejB.{\displaystyle E_{1}={\frac {1}{ne}}jB.}

Коэффициент RH=1ne{\displaystyle R_{H}={\frac {1}{ne}}} пропорциональности между E1{\displaystyle E_{1}} и jB{\displaystyle jB} называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их знак заряда для большого числа металлов и полупроводников.

Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны, имеющие отрицательный заряд, для некоторых металлов — например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам в достаточно сильном магнитном поле наблюдается положительный знак константы Холла RH{\displaystyle R_{H}}, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Принцип действия

Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.

Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.

На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле. Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла. Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.

Датчик Холла самодельный.

Сборка датчика тока на основе эффекта Холла

Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он недорого. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Датчики Холла Аналоговые и цифровые (Дискретные).

Что такое датчик Холла.

Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока.

Step 2: Range of a Hall Effect Sensor

The range of a Hall Effect Sensor depends on the strength of the magnet you use. In the first test we used a Neodymiummagnet to test out the range of when the sensor reacts on the magnet and turns the led light on. We found out that the axes where the sensor reacts on the magnet is on one side of the sensor and mainly straight forward towards the sensor. To get a reading on the other side of the sensor, you will have to use the other pole of the magnet.

We combined two sensor to test if this could make the sensors more efficient. This made the sensor range larger, reacting on both sides of the sensor.

We used a light painting technique to visualize the scale of area where the sensor reacts on the magnet.

Применение датчиков Холла

В каких сферах они находят применение? Начнем с использования аналоговых видов устройств. Их обычно применяют для:

• зондирования движения;
• ощущения вибрации;
• определения скорости, с которой вращается колеса, чтобы функционировала антиблокировочная тормозная система, которую называют ABS;
• регулировки напряжения.

Также конструкции используют в качестве датчиков, определяющих давление манометра мембранного типа. 

Еще датчики Холла нужны для управления двигателем в целях индикации и защиты. Конструкция используется для определения скорости потока, обнаружения черного металла в соответствующих детекторах, выявления наличия питания и в Tong Testers.

Что касается цифровых решений, то такие датчики с эффектом Холла необходимы для беспроводной связи, ощущения близости и положения объекта. Они обеспечивают чувствительные позиции клапанов, давление и скорость потока. С их помощью ремни безопасности и положение автомобильных сидений определяет контроль подушек безопасности.

Step 4: Controlling a Motor With a Hall Effect Sensor

In this experiment we tested out the Hall Effect Sensor with different outputs. We looked at how the sensor worked with a DC motor and a Servo motor as an on output, and how the sensor controlled the motor. We experimented with the three different types of sensors, the «Touch» (A 417), «Latching» (A229) and «Distance» (A324) sensors. The touch, and latching sensor works as a switch (on/off), and with the distance sensor you can control the motor speed with the distance of the magnet.

Attachments

• Aurdrino code_Controling_a_DC_motor_with_Hall_effect_sensor.inoDownload
• Fritzing_Controling a DC motor with hall effect sensor.fzzDownload

Достоинства и недостатки

Характеристики у разных датчиков тока на основе эффекта Холла сильно отличаются, поэтому трудно суммировать достоинства и недостатки использования эффекта Холла относительно другого распространенного способа измерения тока; а именно, вставки прецизионного резистора в цепь протекания тока и измерения появившегося на нем падения напряжения с помощью дифференциального усилителя. В целом, датчики Холла ценятся за «невлияние» и обеспечение электрической изоляции между цепью протекания тока и измерительной цепью. Эти устройства рассматриваются как не оказывающие влияния потому, что в цепь протекания тока не вставляется какого-либо существенного сопротивления, и, таким образом, схема при проведении измерений ведет себя так же, как если бы датчика не было вовсе

Дополнительным преимуществом является то, что датчиком рассеивается минимальная мощность; это особенно важно при измерении больших токов

Что касается точности, доступные в настоящее время датчики Холла могут достичь минимальной ошибки в 1%. Хорошо продуманный датчик на основе резистора может дать лучший результат, но одного процента, как правило, хватает при работе с большими токами/напряжениями, где и подходит использование датчиков Холла.

Недостатки датчиков Холла включают в себя ограниченный диапазон частот и высокую стоимость. ACS712 работает до 80 кГц, а диапазон Melexis MLX91208, который позиционируется, как «широкополосный», ограничивается верхней границей 250 кГц. Резистивный датчик тока с высокоскоростным усилителем, с другой стороны, может хорошо работать и мегагерцовом диапазоне. Кроме того, как обсуждалось выше, эффект Холла по своей природе имеет ограничение в отношении измерения малых токов.

CPU-Z

Приложение CPU-Z собирает всю необходимую информацию о телефоне и представляет его в одном окне. Каждая опция вкладки в верхней части окна отображаются соответствующие детали.

Вкладка SOC
— отображает система на кристалле (SoC) Архитектура детали вашего смартфона Android , как показано на рисунке ниже.

Вкладка Устройство
— отображает детали устройства, как модель, производитель, аппаратные средства, размер экрана, общей и используемой оперативной памяти, общей и используемой памяти и т.д.

Вкладка Система
— отображает подробную информацию о вашем смартфоне, как модель, производитель, тип платы, разрешение дисплея, на Android версии, установленной и т.д.

Вкладка батареи
— отображает состояние зарядки аккумулятора, уровня, источник питания, статус, технологии, температуры и напряжения и т.д.

Тепловое вкладка
— отображает список показаний температуры. Так как нагрузка на центральный процессор заставляет ваш телефон нагреваться, это хорошо, чтобы проверить, что температура не пересекает 60 ° C, поскольку это указывает на неисправность устройства. Этот датчик может быть не доступен во всех моделях устройства. Если он отсутствует, то вкладка не будет отображать любые значения.

Вкладка Датчики
— отображает значения датчиков, поддерживаемых на устройстве. Вы можете играть с телефоном, чтобы проверить, если отдельные датчики работают; например, наклоняя телефон, чтобы проверить гироскоп или переместить ладони по экрану, чтобы проверить датчик близости и т.д. Если показания CPU-Z изменяются в ответ на ваши действия, то датчики отлично и работает. Если вы все еще чувствуете, что датчики не функционируют должным образом, то вам необходимо проверить и сравнить значения с другой аналогичной модели или устройства.

Датчик Холла что это — датчик положения на эффекте Холла

Датчик Холла что это такое? На самом деле это прибор измерения магнитного поля, который был разработан американским ученым Холлом в далеком 1879 году. Использование эффекта Холла и практическое его преимущество, это то, что прибор собранный на его принципе используется до сих пор во множестве современных устройств.

По первому впечатлению конструкция датчика может показаться довольно сложной, хотя на самом деле это не так. Поэтому мы вначале составим себе представление — датчик Холла что это и как он работает. Как уже говорилось выше, устройство создано с использованием эффекта Холла, принцип действия которого сводится к следующему:

Немного теории

В случае воздействия поперечным магнитным полем на какой-либо полупроводниковый прибор, параллельно которого проходит электроток, то в этом случае образуется электро движущаяся сила Холла (ЭДС). Одновременно с этим показатель действующего напряжения поменяется на значение в пределах от 0.4v до 3v.

Исходя из этого можно понять, что данный прибор является достаточно легким к пониманию его принципа работы. Чтобы правильно усвоить приведенную теорию, необходимо для лучшего понимания показать конкретный пример. Для построения эффекта Холла потребуется небольшая по толщине медная полоска в качестве полупроводника, аккумулятор, магнит без подвода электроэнергии, ну и естественно отрезки проводов.

Далее ток подается между двух плоскостей полупроводника. К остальным двум плоскостям прикрепляются концы проводов. В это же время нужно будет поднести к полоске магнит. Вот таким образом получился магнитоэлектрический датчик Холла.

Существует метод его создания в импульсном варианте. Чтобы это сделать, нужно расположить экран с зазорами между медной полоской и постоянным магнитом, с возможностью его перемещения. Такая конструкция и особенность применения зазоров в ней типична во всех устройствах Холла.

Специфика работы и задачи генераторов Холла

Использование на практике электродвижущей силы Холла после ее открытия стало возможно только спустя многие годы. Большой разрыв между открытием и практическим применением, который составлял десятки лет, обусловливалось тем, что полупроводниковые элементы имеющие необходимые свойства, научились и стали изготавливать намного позже появления эффекта Холла.

Как работает датчик Холла

Первые экземпляры устройств были очень габаритными и мало эффективными. Но с появлением микроэлектроники датчики Холла приобрели совсем иное развитие. В особенности, когда появились на свет микросхемы, именно они стали главными объектами применения их в генераторах Холла. Используя эту возможность, промышленность наладила производство датчиков в миниатюрном исполнении.

Причем эти приборы имеют несколько вариаций: линейные — датчики тока, датчики реагирующие на вибрацию, датчики пространственного положения, расходомер и т.д. Другой вариант: логические типы прибора — датчики движения, датчики для определения числа оборотов, датчики импульсных сигналов и прочие.

Датчик Холла начали применять для измерения величины тока, мощности, скорости движения и расстояния. Кстати, в любом оптическом приводе настольного компьютера или ноутбука имеется такой датчик. Одним из основных направлений применения этого устройства получила автомобильная промышленность.

Неоспоримые достоинства датчика Холла – это его доступная цена, простота в использовании, долгий срок службы. Гарантированная надежность прибора заключается в его конструкции, в которой отсутствуют трущиеся между собой детали.

Признаки и причины неисправности

С годами эксплуатации ВАЗ 2108–2109 датчик холла изнашивается. Как следствие, двигатель автомобиля начинает работать разбалансировано или вообще отказывается запускаться. Понять, что проблема именно в зажигании — не просто. Здесь нередко ошибаются даже специалисты сервисных мастерских.

Многие водители самостоятельно начинают искать причину и менять запчасти методом «тыка и подбора». Покупают, свечи, в/в провода, топливные фильтра, катушки, коммутаторы и прочее. И только после установки нового ДХ всё нормализуется. Большинство владельцев ВАЗ 2109, изрядно намучавшись с датчиком холла, открыто делятся признаками его неисправности:

1. Мотор капризничает при запуске или вообще отказывается заводиться.
2. Появляются провалы и плавающие обороты на холостом ходу.
3. При движении может появляться сильная детонация.
4. Иногда мотор глохнет на ходу.

Наиболее часто причиной неполадок является окисление контактов в колодке питания. Можно пошевелить штекер и автомобиль станет работать заметно лучше. Также проблемы возникают в следствии ослабления крепёжных винтов датчика в трамблёре. Достаточно их подтянуть. Иногда причины поломки связаны с коротким замыканием внутри самого ДХ.