Trocha historie
Hallův jev či Hallův efekt, tedy vliv magnetického pole na směr toku elektrického proudu, byl objevem v roce 1879 Edwin Hallem během jeho doktorského studia na univerzitě Johna Hopkinse v Baltimoru. Hall si během pokusu, který měl potvrdit vliv magnetického pole na změnu odporu vodiče, všimnul, že pokud položí magnet kolmo k ploše tenkého kvádru zlata, kterým protéká proud, objeví se na jeho protějších stranách rozdílové napětí. Dále zjistil, že toto napětí je úměrné hodnotě proudu, hustotě magnetického toku a magnetické indukci. Tento jev dále studoval, plně vyzkoušel a popsal, ale vzhledem k tehdy omezených technologiím došlo k jeho praktickému využití v aplikacích až po objevení a zvládnutí výroby polovodičových materiálů. V roce 1965 pak pánové Everett Vorthmann a Joe Maupin vytvořily plně integrovaný křemíkový bezkontaktní spínač s Hallovým jevem, který poté našel masové nasazení například v elektronických klávesnicích.
Základní teorie Hallova jevu
Hallův jev tedy spočívá ve vychylování směru toku el. proudu v závislosti na velikosti indukce magnetického pole B, které je kolmé na polovodičovou (křemíkovou) tenkou destičku, tzv. Hallův element. Výsledkem je generování rozdílového napětí na bočních stranách elementu úměrné právě velikosti působícího magnetického pole či jeho kolmosti vzhledem k destičce.
Zatímco bez působení magnetického pole na Hallův element je směr proudu přímý (vlevo), při jeho působení dochází k zakřivení dráhy (vpravo)
Pokud tedy Hallův element, jímž protéká konstantní hodnota proudu IC (je připojen na zdroj konstantního napětí), není vystaven působení magnetického pole B, je napětí VH na jeho svorkách nulové. Pokud se objeví v jeho okolí magnetické pole, působí na elementem procházející proud elektronů tzv. Lorenzova síla, která elektrony vychyluje z přímého směru vždy k jedné boční straně destičky silou podle vzorce F = Q ( v x B ), kde Q je náboj, v je jejich rychlost a B je indukce působícího mag. pole. Změní se tak rozložení náboje, kdy na jedné straně je větší koncentrace nosičů náboje (elektronů) než na druhé a tedy obě boční stěny destičky mají rozdílný potenciál. Vzniká tak elektrické pole E a na svorkách Hallova elementu se generuje tzv. Hallovo napětí VH. Pokud je proud i magnetické pole konstantní je i napětí neměnné. To je dáno vznikem rovnováhy sil v destičce, kde Lorenzovu sílu kompenzuje opačně orientovaná síla vzniklého elektrického pole F = Q x E (viz obrázek vlevo). Výstupní napětí je tedy proměnné pouze při proměnném proudu či proměnné indukci B. Velikost Hallova napětí je tedy dána součinem proudu elementem IC, indukce B a převodní konstanty KHOC, která má u křemíku hodnotu okolo 7 mikroV/Vs/gauss. Jeho polarita je pak závislá na polaritě magnetického pole a procházejícího proudu. Výstupní charakteristika je tedy symetrická kolem nuly. Pokud není magnetické pole kolmé na plochu elementu (destičky), musíme ještě přidat sinu úhlu odklonění směru mag. pole od kolmé osy. |
Hallovo napětí VH vzniká působením Lorenzovy síly na pohybující se elektrony kompenzované silou vzniklého el. pole |
Proměnné magnetické pole může být generované pohybem permanentního magnetu nebo proudem elektromagnetu
Magnetické pole lze generovat buď klasickým permanentním magnetem (například detekce stisku klávesy), přičemž jeho přibližováním či oddalováním se mění velikost Hallova napětí, nebo elektromagnetem, kdy se stejnou regulaci lze provádět změnou proudu cívkou. Základní Hallův element má sice teoreticky neomezenou lineární převodní charakteristiku B -> V, ale v praxi jsme u Hallova snímače omezeni rozsahem napájecího napětí a saturací zesilovače, které malé Hallovo napětí zesiluje. Snímač tak má v omezeném, kolem nuly symetrickém rozsahu mag. indukce lineární průběh, přičemž po překročení mezí dané vyhodnocovací elektronikou dochází k omezení výstupního napětí (oblast saturace). Hallův senzor tak nelze působením velké intenzity mag. pole zničit ani poškodit.
Závislost výstupního Hallova napětí na velikosti indukce magnetického pole (poznámka saturace není způsobena samotným Hallovým elementem, ale saturací vyhodnocovacího zesilovače, na který bývá na element napojen).
Hallův jev v integrovaných senzorech
Již
samotný Hallův element je vlastně snímač, tedy konkrétně snímač magnetického
pole. Pokud jej tedy doplníme vyhodnocovací elektronikou, která nejen zesiluje,
upravuje a standardizuje výsledné Hallovo napětí, ale i reguluje a stabilizuje
napájecí napětí elementu pro generování konstantního proudu, vznikne kompletní
snímač. Udržení konstantního proudu je totiž základní podmínkou pro to, aby se změna Hallova napětí rovnala
pouze změně hodnoty indukce magnetického pole.
Protože je výstupní napětí malé (v řádu 30 mikrovoltů při magnetickém poli 1Gauss) a diferenční, je nutné jej připojit na vstupy diferenčního nízkošumového zesilovače s velkým vstupním odporem. V případě, že bylo měřeno vzhledem k nulovému potenciálu, byl by i při nulovém Hallovu napětí na výstupu senzoru napětí nenulové, tzv. common mode voltage (CMV). Pro zamezení vlivu vnějších prostředí by pak zesilovač měl mít regulovatelný zisk, kompenzaci vlivu teploty a pnutí (piezoelektrického jevu).
Základní koncepce Hallova magnetického senzoru - element napájený z regulovaného zdroje a s výstupy připojenými na vstupy diferenčního zesilovače
Z důvodu negativního vlivu pnutí na generované Hallovo napětí (změna odporu elementu vlivem piezoelektrického jevu) se na jeden chip senzoru umisťují alespoň dva snímače vzájemně otočené o 90°. Sečtením jejich výstupů se vliv pnutí odečte.
Jak je z výše uvedeného popisu patrné, od základního Hallova snímače je vlastně už jen krok k analogovému senzoru, tzn. senzoru, který se vyznačuje lineárním analogovým výstupem plynule se měnícím při plynulé změně magnet. pole. To nejlépe splňuje tzv. radiometrický výstup, který má offset úměrný velikosti napájecího napětí Vs a vyznačuje se rozsahem od meze k mezi (rail-to-rail). Výstupní napětí se tak může pohybovat téměř od 0 V (typicky 0.2 V) až k napájecímu napětí (typicky Vs - 0.2 V). |
Hallův senzor s analogovým radiometrickým lineárním výstupem rail-to-rail |
Příklad převodní charakteristiky analogového Hallova senzoru s radiometrickým výstupem pro různá napájecí napětí Vs (vlevo) a závislost změny výstupního napětí na teplotě (vpravo)
Dnes však z důvodu masového nasazování různých mikroprocesorů a mikrokontrolérů je stále častěji v oblibě digitální/diskrétní výstup buď v jednodušší podobě dvoustavového logického/binárního signálu nebo v složitějším případě plně digitální, realizovaný některým sériovým komunikačním rozhraním. Zatímco v prvním případě může být výstupní obvod tvořen pouze vhodným komparátorem s hysterezí (např. Schmittovým klopným obvodem) případně "posilněný" výstupním tranzistorem, v případě sériového komunikačního rozhraní (UART, I2C apod.) se již na chipu senzoru obvykle vyskytuje jednoduchý mikrokontrolér či složitější logika.
Blokové schéma jednoduchého magnetického Hallova senzoru s logickým / binárním výstupem (vlevo - základní, vpravo - posílený spínacím NPN tranzistorem)
Spínací charakteristika Hallova senzoru s binárním výstupem má vždy nějakou hysterezi a definovanou minimální (Minimum Release) a maximální (Maximum Release) přepínací úroveň magnetického pole (graf vlevo). Pokud je potřeba hlídat/detekovat například polaritu mag. pole, je možné použít jeden snímač a 3 komparátory (graf vpravo)
Závěr
Hallův jev patří v současné době mezi velmi často využívané fyzikální principy jak přímo pro potřeby měření a detekce magnetického pole, tak i pro potřeby bezdotykového ovládání a zjišťování přítomnosti objektů. Díky dostatečně vysokému Hallovu efektu křemíkového polovodičového materiálu, lze snadno vytvářet plně integrované jednochipové senzory, které obsahují jak samotný Hallův element/snímač, tak i vyhodnocovací obvody nebo i mikroprocesor. Všechny tyto uvedené skutečnosti tak zajišťují Hallovu senzoru jistou budoucnost. V dalších článcích k tomuto tématu se zaměřím na konkrétní použití a vlastnosti reálných nabízených a prodávaných senzorů.
Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka firmy Honeywell, mimo jiné výrobce integrovaných senzorů s Hallovým efektem - www.honeywell.com
- Honeywell: "MICRO SWITCH Sensing and Control", Chapter 2
- SYPRIS Test & Measurement - www.fwbell.com
