Эффект Холла и устройства, выполненные на его основе

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ, ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ

Если через две торцевые параллельные стороны тонкой прямо-угольной пластинки полупроводника (рис. 1.1) пропустить ток I, а саму её поместить в магнитное поле напряженностью Н, перпендикулярное плоскости пластинки, то на двух других торцевых сторонах возникает электродвижущая сила (ЭДС) Е:

(1.1)

где k = k_x/d – коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d, а k_x – постоянная Холла.

Рис. 1.1

Возникновение ЭДС Холла связано с тем, что на движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца. Под действием магнитного поля заряды смещаются перпендикулярно направлению своего движения. Вследствие этого вдоль одной из продольных сторон возникает избыток зарядов одного знака (электронов), а вдоль другой, параллельной первой, накапливается заряд другого знака (дырок). Величина ЭДС Холла, как видно из равенства (1.1), зависит от протекающего через пластину тока I, напряженности H магнитного поля, в котором находится пластина, от её размеров и материала, из которого она сделана. Эффект Холла имеет место как в проводниках, так и в полупроводниках. Но в проводниках величина ЭДС очень мала, что объясняется малой скоростью электронов вследствие их большой концентрации. В чистых полупроводниках обеспечивается более высокая скорость перемещения носителей зарядов и ЭДС Холла в них во много раз больше. Для датчиков Холла используют примесные полупроводники и в зависимости от их электропровод-ности устанавливается та или иная полярность ЭДС Е на выводах пластины (рис. 1.1). В качестве материалов для изготовления кристаллических датчиков Холла применяются различные соединения индия (InAs, InP, InSb), а также германий и кремний. Помимо кристаллических датчиков изготавливаются пленочные, толщина которых в сотни раз меньше и составляет порядка 10–30 мкм. Материалом для таких датчиков служат соединения ртути с селеном (HgSe) и теллуром (HgTe).

Поскольку величина ЭДС Холла пропорциональна произведению тока на магнитную индукцию, то на этом эффекте основаны датчики Холла. Они применяются: для измерения магнитных полей, в качест-ве измерителей тока в системах автоматики, в качестве фазочувствительных детекторов, преобразователей механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал и т.д. Датчик Холла в последнее время стал широко применяться в бесконтактной системе зажигания автомобиля. В любой системе зажигания необходим датчик, информирующий о моменте искрообразования. В обычных, контактных системах зажигания эту функцию выполняет механический прерыватель. В современных бесконтактных системах зажигания все большее применение находят датчики Холла, обладающие рядом достоинств, не присущих другим.

Во-первых, малые габариты.

Во-вторых, изменение частоты оборотов двигателя, и следовательно, изменение частоты срабатывания не вызывает сдвиг момента искрообразования.

В-третьих, малое время релаксации (порядка 10^–12 – 10^–13 с) позволяет формировать выходные сигналы прямоугольной формы и устойчиво работать до частот порядка сотен ГГц.

В-четвертых, величина и форма сигнала достаточно стабильны, он не имеет характерных для контактных систем выбросов и пиков.

В-пятых, независимость энергии искрообразования от частоты вра­щения коленчатого вала двигателя и колебаний напряжения питания.

Конечно, у датчика Холла имеются и недостатки, к числу каковых можно отнести его чувствительность к электромагнитным помехам, возникающим в цепи питания, относительная дороговизна и недостаточная надежность, повышающаяся, правда, по мере совершенствования конструкции и технологии.

Рассмотрим принцип действия датчика Холла по его упрощенной конструкции в системе зажигания автомобиля (рис. 1.2). Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. По одну сторону щели располагается полупроводниковая кремниевая пластина, совмещенная с микросхемой, обрабатывающей сигнал. С другой стороны щели находится постоянный магнит, создающий поле напряженностью Н. При прохождении через кремниевую пластину тока, равного примерно 30 мА, на выводах пластины возникает ЭДС Холла величиной около 2 мВ. Это напряжение поступает в микросхему, которая осуществляет формирование и усиление сигнала. На выходе микросхемы напряжение достигает большой величины, отличающейся от напряжения питания, примерно на минус 3 В. В щели между магнитом и кремниевой пластиной располагают стальной цилиндрической формы экран с прорезями. Число прорезей соответствует числу рабочих цилиндров двигателя. При вращении экрана, когда его металлическая часть оказывается в щели, магнитный поток замыкается через нее и ЭДС индукции E_x равна нулю. Сигнал на выходе датчика (зеленый провод) в этот момент относительно массы (черный провод) имеет высокий уровень, близкий к напряжению питания.

Рис. 1.2

Когда в щели оказывается прорезь экрана, магнитный поток, пронизывая кремниевую пластину, создает в ней максимальное значение ЭДС Холла, а на выходе датчика имеет место низкий, менее 0,4 В уровень напряжения. Образование искры происходит в момент, когда задняя кромка прорези достигает середины пластины датчика. Длительность каждого импульса при конкретной частоте следования определяется размером прорези по окружности экрана. Прорезь, соответствующая первому цилиндру, шире остальных, что позволяет фиксировать начало отсчета.

С помощью датчика Холла и электронной схемы, обрабатывающей его выходной сигнал, могут быть определены три главных входных параметра для системы зажигания. К ним относятся: частота вращения коленчатого вала, его положение относительно верхней мертвой точки для любого цилиндра в произвольный момент времени и положение точки отсчета. Безынерционность датчика и стабильность параметров сигнала позволяют реализовать управление углом опережения зажигания в каждом такте, то есть для каждого цилиндра в отдельности.

Датчики Холла изготавливаются практически только двумя фирмами: Honeywel (Хонивелл) (США) и Siemens (Сименс) (Германия), которые обеспечивают их поставку на все автомобильные заводы в мире.

Кроме датчиков, предназначенных для систем зажигания автомобилей, фирма Honeywel серийно выпускает датчики на основе эффекта Холла, которые применяются в бесколлекторных электродвигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, компьютерах и различных приборах бытового назначения.

Дата добавления: 2014-01-07