ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ХОЛЛА

ВВЕДЕНИЕ

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразователи Холла, или магниторезистивные преобразователи.

Преобразователь Холла (ПХ) представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала (рис.1). Токовые электроды 1 и 2 выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя.

Потенциальные (холловские) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца Fл = e × v × B

изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани – уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов Ех (ЭДС Холла) определяется выражением

E_x = R_x × j ( К геом., q ) × I × B × cos L / d , ( 1 )

где R_x - постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя;

j ( К геом., q ) – функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла q между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции (при L / b = 2 и a / L £ 0,1 функция j » 1) ;

L – угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоящих из элементов III и V групп периодической системы.

Как видно из выражения (1), выходная величина преобразователя Холла Е_х пропорциональна произведению двух входных величин – тока I и магнитной индукции В. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразователем.

При постоянных во времени I и В ЭДС Холла Е_х является постоянной величиной. Если одна из входных величин (В или I) постоянна, а другая переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной величины. В случае, если обе входные величины имеют одну и ту же частоту w и сдвинуты по фазе на угол j , ЭДС Холла будет состоять из постоянной и переменной двойной частоты составляющих

Е_х = R_x / d × B × I × cos j + R_x / d × B × I × cos ( 2w t + j )

Если ток изменяется с частотой w₁, а магнитная индукция – с частотой w₂, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту (w ₁ - w ₂ ), а другая (w₁ + w₂).

Использование различных режимов работы преобразователя Холла (ПХ) позволяет применять его в различных технических устройствах.

Назначением ПХ в устройствах первой группы является индикация магнитного поля. Управляющий ток I через преобразователь в этом случае неизменен, при чем он может быть как постоянным, так и переменным. Как правило ток имеет максимальное значение, ограничиваемое условиями допустимого нагрева прибора. Функция преобразования может быть и нелинейной, однако чувствительность к магнитному полю должна быть высокой. К первой группе устройств относятся бесконтактные реле, индикаторы, индикаторы положения перемещающихся деталей, бесконтактные клавиши, считывающие устройства в твердотельных запоминающих устройствах, переключающих и логических элементах, бесконтактные коммутаторы и др.

Ко второй группе относятся устройства, в которых преобразователи Холла служат для измерения магнитного поля. В этом случае через преобразователь должен протекать управляющий ток I постоянного значения, а выходной сигнал должен быть прямо пропорционален значению магнитной индукции В, т.е. требуется высокая линейность функции преобразования. К этой группе устройств относятся измерители напряженности магнитных полей, измерители электрических токов, устройства для магнитодефектоскопии и др.

К третьей группе относятся устройства, в которых используется свойство преобразователей Холла для перемножения аналоговых сигналов, подаваемых на его вход. Перемножающее свойство ПХ эффективно используется в аналоговых математических блоках, реализующих операции перемножения двух величин, операции возведения в степень, извлечение корня, деления. К этой же группе относятся измерители мощности, смесители и преобразователи частот, анализаторы периодических и случайных процессов.

Поиск по сайту: