Датчики Холла Honeywell

Эффект Холла заключается в возникновении разности потенциалов на продольных краях проводника с током, помещенного в магнитное поле. Поскольку разность потенциалов крайне невелика и составляет всего лишь несколько микровольт, построение датчика, использующего эффект Холла, – задача нетривиальная, и не многие компании способны с ней достойно справиться. Одним из таких производителей, наиболее известным на российском рынке, является Honeywell. 

В производственной линейке этой компании представлены датчики Холла практически для всех применений. Учитывая, что продукция Honeywell используется в авиакосмической и оборонной отраслях, в медицине и промышленных приложениях, можно не сомневаться в надежности выпускаемых ею датчиков Холла. К основным применениям датчиков относятся следующие:

• датчики линейного и углового перемещения;
• датчики положения;
• датчики скорости и направления;
• многофункциональные датчики;
• измерители магнитного поля.

Датчики производятся в интегральном исполнении – в одном корпусе расположены и элемент Холла, и усилительная схема. Выпускаются модификации для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа. По функциональному назначению их можно разделить на три группы:

• цифровые датчики;
• датчики с линейным выходом;
• ратиометрические датчики.

На выходе ратиометрических датчиков, как и на выходе линейных датчиков, формируется аналоговый сигнал. Их отличие легко увидеть из упрощенных функциональных схем. На рисунке 1 приведена схема датчика с линейным выходом, а на рисунке 2 – схема ратиометрического датчика. Все датчики имеют однополярное питание, однако в зависимости от направления магнитного поля полярность на выходе элемента Холла может меняться, и потому середина выходной шкалы датчика смещена на половину напряжения питания. Пример зависимости выходного сигнала датчика от величины внешнего магнитного поля при разных напряжениях питания показан на рисунке 3. Линейные датчики обоих типов нуждаются во внешнем стабилизированном напряжении питания.

В отличие от линейных датчиков, выходной сигнал цифровых датчиков Холла не зависит от напряжения питания, а определяется только внешним магнитным полем. Следовательно, напряжение питания датчика может изменяться в широких пределах, а в датчик встроен регулятор напряжения. Упрощенная функциональная схема цифрового датчика приведена на рисунке 4. Цифровые датчики Холла иногда называют переключателями – на их выходе сигнал меняется от минимального до максимального значения. Величина гистерезиса переключения определяется встроенным триггером Шмитта, входящим в схему датчика. 

Остановимся несколько подробнее на цифровых датчиках Холла, которые получили наибольшее распространение. Компания производит униполярные и биполярные датчики. Первые предназначены для работы в магнитном поле, где вектор индукции не меняет направления – южный и северный полюс не меняются местами. Вторые, биполярные датчики, могут работать и при изменении направления силовых линий магнитного поля. Передаточная функция биполярных датчиков показана на рисунке 5. 

Поскольку пороги срабатывания и отпускания могут меняться в зависимости от температуры и варьироваться в пределах датчиков одной серии, биполярный датчик в некоторых случаях работает как униполярный; на рисунке 5 – это датчики №№1 и 3. В некоторых приложениях такой порядок вещей вполне допустим, но если требуется, чтобы выход датчика переключался при разной полярности магнитного поля, выбирается «истинно» биполярный (true latching) датчик. В этом случае пороги срабатывания датчика могут меняться по величине, но переключение всегда происходит только при разной полярности внешнего магнитного поля.  

Заметим, что даже при значительном изменении порогов срабатывания гистерезис выходной характеристики меняется мало. Например, у «истинно» биполярного датчика Холла SS461 порог срабатывания меняется в диапазоне 5–110 Гс, а порог отпускания – в пределах –5…–110 Гс, но при этом гистерезис всегда составляет 50 Гс. Напомним соотношение единиц измерения магнитной индукции: 1 Тл = 104 Гс.

Датчики Холла относительно просты в использовании. Некоторые проблемы могут возникнуть у конструкторов всего изделия при выборе места установки датчиков. Чтобы этого не случилось, предлагается руководство [1], в котором даются подробные рекомендации для выбора места размещения датчика и описаны варианты его установки. Выбор конкретного типа датчика Холла зависит от места размещения и назначения системы, в которой применяется датчик.

Рис. 6. Пороги срабатывания униполярного датчика SS443

При выборе цифрового датчика Холла необходимо как минимум оценить величину магнитного поля, пороги срабатывания датчика и, что очень важно, разброс порогов срабатывания. В качестве примера рассмотрим датчики SS443 и SS460S. Пороги срабатывания униполярного датчика SS443 имеют довольно значительный разброс, и к тому же зависят от температуры (см. рис. 6); изменяется и гистерезис. В отличие от датчика SS443, пороги срабатывания биполярного датчика SS460S стабильны во всем рабочем диапазоне температур (см. рис. 7) –40…150°С и очень незначительно зависят от напряжения питания, которое меняется в широком диапазоне 3–24 В. 

Выходные каскады цифровых датчиков построены по схеме с общим коллектором. Максимальный выходной ток достаточно велик и равен 20 мА, что упрощает построение внешних усилительных каскадов или даже позволяет обходиться без них, непосредственно подключая нагрузку к выходу датчика. Величина внешнего магнитного поля не ограничивается. Это очень полезная особенность, которая упрощает требования к установке датчиков. 

Еще одной важной особенностью производственной линейки компании Honeywell является наличие в одном и том же семействе датчиков модификаций с одинаковыми корпусами, но с разными порогами срабатывания. Например, в семействе SS400 помимо рассмотренного выше униполярного датчика SS443 имеются биполярные датчики и «истинно» биполярные датчики. Кроме того, среди датчиков разного типа можно выбирать датчики с различными порогами срабатывания. 

Например, если изменилась конструкция изделия, в результате чего поменялось место установки датчиков и, следовательно, внешнее магнитное поле и пороги срабатывания, то доработка системы может свестись лишь к выбору другой модификации датчика в пределах этого же семейства. При этом не придется дорабатывать ни электрическую схему, ни конструкцию. 

Допустим, вы использовали униполярный датчик SS443, но в результате изменения его места установки потребовалось выбрать датчики с другими порогами срабатывания. В этом случае датчик SS443 заменяется модификациями SS441 или SS449. Их пороги срабатывания и отпускания различаются в несколько раз. При этом вся доработка системы сведется лишь к изменению одного пункта спецификации – замене типа датчика. Разумеется, подобрать замену можно и среди датчиков других семейств, но при выборе следует обратить внимание на допустимый диапазон напряжений питания – он может различаться у датчиков разных семейств.

Полный ассортимент продукции Honeywell, в том числе датчики Холла.

Новые поступления датчиков магнитного поля (Холла) Honeywell представлены в таблице: