2.1.3.Преобразователи Холла

Одно из важнейших для практических приложений гальваномагнитных явлений — эффект Холла — известно более 100 лет, оно было открыто в 1879 г. Э. Холлом, сотрудником Балтиморского университета им. Дж. Хоп­кинса. Этим открытием он подтвердил теорию движения электронов, изло­женную за 30 лет до этого лордом Кельвином. Холл обнаружил, что если расположить магнит относительно золотой пластинки, по которой протекает ток I, так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно пластинке, между ее боковыми сторонами возникнет разность потенциалов U_x— напряжение Холла. Это напряжение пропорционально силе тока I через проводник и магнитной индукции В. Поэтому преобразователи Холла можно считать разновидностью электромагнитных ЧЭ.

Н аиболее известно использование преобразователей Холла в магнето­метрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др. Например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов — преобразователя Холла и магнита, подвижных один относительно другого. Перемещение магнита относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональ­ный этому перемещению.

Самыми распространенными материалами преоб­разователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs,InAs,InSb и др.

Датчик, содержащий преобразователь Холла, относится к классу генера­торных. Его выходным сигналом является напряжение Холла U_x, которое возникает в случае, если через находящийся в магнитном поле кристалл протекает опорный ток I_оп (рис. 2.5). Функцию преобразования ЧЭ Холла можно представить в виде

где R_х — постоянная Холла; h — эффективная толщина полупроводникового слоя; B*sinθ — составляющая индукции внешнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов R_х =10^-3см³/Кл, для полупроводников R_х =10⁵см³/Кл.

Постоянная Холла зависит от температуры, ее температурная чувствительность S_TX=(1..3)*10^-2 К^-1. Если I_оп = const и θ= const, то U_х ≈ В₁. В этом случае ΔU_Х=S_ХΔВ₁, где S_x=R_xI_оп/h— чувствительность преобразователя Холла. Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа является то, что линии съема сигнала располагаются перпендикулярно направлению протекания тока.

В измерительных устройствах используют также интегральные микро­схемы, принцип действия которых основан на эффекте Холла. В состав та­кой микросхемы (рис. 2.6, а) входят: ЧЭ Холла, стабилизатор опорного на­пряжения, операционный усилитель и эмиттерный повторитель. Выходное напряжение U_вых зависит от напряжения Холла и коэффициента усиления схемы. В отсутствии магнитного поля U_вых = 0; если питание микросхемы осуществляется от однополярного источника как на рис. 2.6, а, то U_вых = U_ип/2. Напряжение Холла невелико и составляет около 30 мВ при В₁= 10 мТл, что требует установки операционного усилителя. Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление микросхемы.

Магнитные поля большой силы не разрушают датчик Холла, а лишь пере­водят его в режим насыщения с U_вых < U_ип. Чувствительность микросхемы

И спользуя приведенные на рис. 2.6, б графики, можно найти ΔU_вых при изменении ΔВ₁ для известного U_ип. Погрешность преобразователя со­ставляет 1...2%.

Часто датчик с преобразователем Холла имеет релейный выход. В этом случае оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзи­стор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки. Такие микросхемы устанавливают в дат­чиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, маг­нитных карточках и замках.

С равнительная характеристика некоторых преобразователей Холла дана в табл. 2.4.