Что такое датчик холла в смартфоне. Распространение и типы контроллера. Зачем нужен магнитный датчик

2 года назад

Современные мобильные устройства оснащаются большим количеством функциональных блоков, среди которых – не только основные элементы, но и вспомогательные датчики. Если о том, что такое акселерометр, сенсор освещенности и гироскоп знают многие пользователи, то по поводу датчика Холла нередко возникают вопросы.

Датчики Холла, используемые в современных смартфонах, это измерительные элементы, которые позволяют определять наличие и интенсивность магнитного поля, а также его изменения. Свое название они получили в честь американского ученого Эдвина Холла, который еще в 1879 году открыл эффект изменения напряжения тока на проводнике при его помещении в магнитное поле.

Магнитный поток, взаимодействующий с датчиком Холла

Зачем нужен датчик Холла в смартфоне

В зависимости от уровня реализации, этот сенсор обладает довольно широкими возможностями. Среди них – измерение величины электромагнитной индукции различных приборов, возможность реализации бесконтактного управления и другие функции. Магнитометр, основанный на датчике Холла, в современных смартфонах встречается достаточно часто. Особенно в флагманских устройствах.

Но в большинстве мобильных устройств не все возможности датчика Холла реализованы в полной мере. Ограниченное пространство под крышкой, желание снизить потребление заряда аккумулятора, отсутствие широкого интереса и острой потребности в реализации новых функций сводят использование сенсора к двум задачам:

• Первая из них – это цифровой компас. Он используется навигационными программами для ускорения позиционирования и более точного определения направления движения.
• Второй областью применения датчика Холла, наиболее востребованной владельцами смартфонов, является улучшение взаимодействия устройства с магнитными чехлами и другими аксессуарами.
• Использование датчика Холла в телефонах "раскладушках", чтобы включать или выключать экран при закрытии или открытии крышки.

Как смартфон взаимодействует с магнитными чехлами

Самым простым примером реализации взаимодействия чехла с магнитом и смартфона является автоматическая блокировка/разблокировка экрана при закрытии/открытии чехла. Датчик Холла реагирует на приближение магнита, расположенного в флипе, регистрируя усиление поля, и блокирует дисплей. При открытии интенсивность излучения снижается и экран активизируется.

Чехлы с окошком в верхней части, которые оставляют часть дисплея открытой для возможности использования отдельных функций (звонки, проигрыватель, часы) без раскрытия флипа, тоже взаимодействуют с датчиком Холла. Регистрируя наличие/отсутствие повышенного магнитного поля, смартфон определяет, оставлять активным весь экран или только его часть.

Еще одним примером аксессуара, требующего наличия датчика Холла, являются Google CardBoard – доступные очки виртуальной реальности, использующие смартфон. Так как при использовании устройства телефон находится внутри, единственным способом управления остается удаленное взаимодействие магнита, встроенного в единственную «кнопку» аксессуара, с датчиком Холла.

Современный смартфон – это сложное высокотехнологичное вычислительное устройство, которое мощнее тысяч бортовых компьютеров, полвека назад запускавших «Аполлоны» на Луну. Датчиков на борту флагманских мобильников тоже установлено едва не больше, чем на борту этого самого «Аполлона». Каждый из них незаметно, но добросовестно выполняет свою работу. Чем же занимаются все эти датчики смартфона, и как они устроены – подробнее читайте далее.

Сенсор освещения в смартфоне расположен на передней панели, обычно возле разговорного динамика (бывают исключения). Конструкционно он представляет полупроводниковый сенсор, чувствительный к потоку фотонов. В зависимости от его интенсивности, сенсор осуществляет управление подсветкой дисплея, с целью более эффективно расходовать заряд аккумулятора. Также он может выполнять вспомогательную функцию для других задач, работая с датчиком приближения.

Датчик приближения

Это – оптический или ультразвуковой сенсор, определяющий, нет ли предметов перед экраном. Он посылает очень слабый световой или звуковой импульс, а если тот отразился – регистрирует отраженный сигнал. За счет этого осуществляется автоматическая блокировка экрана в режиме разговора или при перевороте смартфона дисплеем вниз. Традиционно сенсор приближения откалиброван таким образом, что регистрирует лишь 2 состояния: «посторонний предмет ближе N (обычно 5) сантиметров» и «посторонний предмет дальше N см».

Акселерометр

Этот сенсор смартфона расположен на плате и представляет собой миниатюрный электромеханический прибор, регистрирующий малейшие движения. В обязанности этого датчика входит переключение ориентации экрана смартфона при наклоне, управление в играх, регистрация особых жестов управления (вроде потряхивания или постукивания по корпусу), а также замер шагов (путем подсчета ритмических колебаний в процессе ходьбы).

Обычный двухосевой акселерометр в смартфоне

Бывают двухосевые и трехосевые акселерометры. Особенностью акселерометра является то, что в состоянии покоя - одна из осей всегда будет показывать значение в районе 9-10 м/с 2 (в трехосевом трехмерном акселерометре). Это связанно с тем, что сила тяжести Земли составляет в среднем 9,8 м/с 2 .

Гироскоп

Гироскоп отвечает за определение движения и ориентации смартфона в пространстве. Он тоже конструкционно представляет MEMS (микроэлектромеханическую схему), расположенную на системной плате. Сферы его применени пересекаются с таковыми у акселерометра. Основные отличия состоят в том, что гироскоп имеет заметно большую точность и измеряет движение не в м/с 2 , а радианах или градусах на секунду. За счет этого его можно использовать для отслеживания поворотов головы в VR-гарнитуре, а также более точно реализовать жестовое управление.

Гироскоп MEMS под микроскопом

Магнитометр и датчик Холла

Магнитометр измеряет величину магнитного поля окружающего мира. Он также проводит измерения в трехмерном пространстве (по трем осям декартовых координат - X, Y и Z). Основная функция магнитометра – более точное определение местоположения в ходе навигации. В этом режиме использования он выполняет функцию цифрового компаса. Благодаря тому, что одна из осей, которая расположена в плоскости с Северным полюсом Земли, регистрирует постоянно повышенный фон. Магнитометр помогает более точно определять, в какую сторону относительно севера движется смартфон.

Магнитометр смартфона

Часто магнитометр называют датчиком Холла, однако это не совсем тождественные понятия. Подробнее о датчике Холла мы писали в другой статье . Отличия состоят в том, что первый является более универсальным и чувствительным. Магнитометр способен производить замеры магнитного излучения, в то время как только регистрирует его наличие/отсутствие и уменьшение/усиление. В современных смартфонах отдельный датчик Холла обычно не ставят, так как универсальный магнитометр полностью покрывает его функциональность.

Одной из альтернативных функций магнитометра является поиск проводки в стенах. Проводник под напряжением генерирует слабое электромагнитное излучение, а чувствительность сенсора составляет единицы микротесла. Если водить смартфоном по стене, то в месте заложения кабеля магнитный фон будет повышенным.

Датчик гравитации

Измеряет силу притяжения нашей планеты в трехмерном пространстве. В состоянии покоя (когда смартфон лежит на столе), его показания должны совпадать с акселерометром: по одной из осей сила гравитации будет близка к 9,8 м/с 2 . Самостоятельно этот сенсор обычно не используется, но помогает работе других. В режиме навигации он определяет, в какой стороне земная поверхность, чтобы быстрее определить правильное положение смартфона. При использовании в VR за счет сенсора гравитации осуществляется правильное позиционирование картинки.

Датчик линейного ускорения в смартфоне

Принцип его работы практически идентичен акселерометру, единственное отличие кроется в инертности. То есть, показания этого сенсора не зависят ни от каких глобальных внешних факторов (вроде гравитации). Единственное, что он регистрирует – это скорость перемещений смартфона в пространстве относительно его прежнего положения.

Определять положение аппарата в пространстве датчик линейного ускорения не способен (нет привязки к внешним ориентирам), но это и не нужно (с данной задачей отлично справляются сенсор гравитации и акселерометр). Отсутствие привязки к внешним ориентирам позволяет поворачивать объекты на дисплее безотносительно этих ориентиров, например, в играх. Также данный сенсор, в совокупности с другими, повышает общую точность определения движений.

Датчик вращения

Он определяет направление и частоту вращения смартфона относительно одной из осей трехмерного пространства. Как и датчик ускорения, является независимым и не привязан к внешним ориентирам. Часто выполняется в составе одного модуля с сенсором линейного ускорения. Отдельно, как правило, не задействуется, но позволяет корректировать работу других сенсоров для повышения точности. Также помогает при управлении жестами, например, покрутив смартфон в кисти руки активируется камера.

Гироскоп MEMS в разрезе

Температурные датчики

Современный смартфон обильно напичкан цифровыми термометрами. Конструкционно они представляют собой термопару: резистор с двумя выводами, сопротивление между которыми меняется в зависимости от температуры. Так как он относительно примитивен, то может быть выполнен даже внутри полупроводникового чипа.

В каждом смартфоне обязательно имеется датчик температуры батареи. При ее перегреве он отключает зарядку или снижает силу тока на выходе, чтобы предотвратить закипание электролита, которое влечет возгорание или взрыв. Также распространены термометры внутри SoC (в количестве от пары штук – до десятка и более). Они измеряют температуры процессорных ядер, графического ускорителя, различных контроллеров. Иногда встречаются и датчики окружающей температуры, но они распространены слабо. Причина тому – низкая точность, так как тепло от внутренностей аппарата и рук пользователя искажает показания.

Датчик давления (барометр) в смартфоне

Барометр в смартфоне измеряет атмосферное давление (в мм ртутного столба, бар или паскалях). Он позволяет корректнее определять местоположение и высоту над уровнем моря, так как при подъеме давление снижается. Также он может использоваться в качестве альтиметра, замеряя высоту над уровнем моря, но точность оставляет желать лучшего, так как атмосферное давление меняется вместе с погодой. Еще меньше востребована функция корректировки прогноза погоды в метеорологических программах и виджетах.

Гигрометр

Гигрометр измеряет влажность воздуха. Его основное предназначение очевидно, но популярностью данный сенсор не пользуется. В теории с его помощью можно корректировать данные прогноза погоды. Зная показания, можно также управлять микроклиматом в помещении, включив увлажнитель или осушитель воздуха. Единственный из известных смартфонов с гигрометром – уже старенький Samsung Galaxy S4.

Пульсометр или датчик сердечного ритма в смартфонах

Пульсометр способен измерять частоту и ритм сердечных сокращений. В процессе занятий спортом он дает возможность наблюдать за работой сердца и корректировать нагрузки для повышения эффективности тренировок. Недостатком пульсометра является потребность в плотном контакте смартфона с частью тела, в которой кровеносные сосуды находятся близко к поверхности (например, пальцами), чтобы уловить малейшие пульсации. Из-за этого популярности в смартфонах он не приобрел, а вот в смарт-часах и фитнес трекерах встречается повсеместно.

Немногие знают о том, что смартфоны оснащены многочисленными датчиками, включая средства измерения освещенности приближения и температуры, барометр, акселерометр, гироскоп и другие. Они предназначены для того, чтобы упростить пользование устройством.

В этой статье мы поговорим о датчике Холла (магнитном датчике). Американский ученый Эдвин Холл еще около 140 лет назад открыл явление, которое было названо впоследствии эффект Холла. Он и по сей день активно используется в современной технике.

Назначение магнитного датчика

Датчик Холла в смартфоне призван обнаружить магнитное поле, что позволит определить положение самого устройства относительно сторон света. Таким образом, скачав приложение «Компас» из магазина для Андроид Google Play, ваш смартфон может выполнять функцию компаса.

Первым шагом внедрения данной технологии стало использование этого датчика в автомобилях. С помощью него проводили измерение угла распредвала и коленвала, а также момент образования искры. Позднее эффект Холла начали применять и в других технологиях, включая мобильные устройства.

Цифровой компас в телефонах используется навигационными программами для корректировки вектора движения и определения точных координат телефона. Раньше такой магнитометр был встроен только во флагманские телефоны, теперь же он распространен повсеместно. Функции такого датчика весьма обширны. Рассмотрим их более подробно.

Функции магнитометра

В телефонах-раскладушках он использовался для активации подсветки при открытии устройства. Еще одно предназначение датчика заключается в синхронизации работы смартфона с чехлом с магнитной застежкой.

Если магнит, расположенный на чехле, расположен на некотором расстоянии от устройства, то датчик реагирует следующим образом: он перестает его распознавать, давая команду на включение экрана.

При закрытии чехла, когда застежка расположена близко, дисплей телефона автоматически переводится в спящий режим. Если в чехле имеется «окошко», то незакрытое пространство, в котором располагаются различные виджеты, может продолжать быть активным. Таким образом, при закрытии чехла транслируется на заставке лишь видимая часть, при открытии – становится активным весь экран.

Также датчик позволяет бесконтактно управлять рядом функций, которые имеются в смартфоне. Магнит на чехле никаким образом не оказывает негативного влияния ни на сам сенсор, ни на комплектующие телефона.

Как активировать датчик?

Сейчас магнитометр находится во множестве мобильных устройств, но в основном его функции используются не полностью ввиду ряда причин. По финансовым причинам – в бюджетных моделях, а также в связи с конструктивными особенностями (минимальными размерами толщины корпуса) и желанием снизить расход заряда аккумулятора.

Сенсор в подавляющем большинстве случаев выполняет две функции: взаимодействие с аксессуарами и цифровой компас. Его не нужно включать и настраивать, так как датчик запускается в автоматическом режиме.

Определить же наличие сенсора в телефоне можно двумя способами: просмотрев технические характеристики смартфона или же протестировав устройство при помощи приложение «Компас», который должен начать функционировать при выключенном интернете. Также есть второй способ: приложите к дисплею магнит. Если экран погаснет, то в телефоне имеется встроенный магнитометр.

Такое приспособление, как датчик Холла – это магнитоэлектрический механизм, принцип которого был впервые открыт физиком Холлом, в честь которого он и был впоследствии назван. В этом материале мы расскажем, что такое датчик Холла, какие его основные принципы работы, как работает данное устройство в мобильном телефоне и автомобиле. Также вы ознакомитесь с основными видами подобных агрегатов.

Основные принципы работы датчиков Холла

Принцип работы прибора заключается в наличии званного элемента, который связывается с электрической схемой.

Сам датчик Холла – это такая микросхема, способная на выходе создавать тот или иной информационный сигнал. Зафиксированное магнитное поле – это и есть основа принципа работы данного механизма. Чтобы определить скорость перемещения неподвижных элементов той или иной конструкции, к ней прикрепляют датчик Холла и магниты к подвижной части.

Также движущиеся контакты и части могут просто намагничиваться и не будет необходимости дополнять конструкцию чем-либо. А с целью измерения скорости вращения потребуется несколько постоянных магнитов и сам датчик Холла. В таком случае принцип работы такого приспособления будет следующим:

• в свободном состоянии пластинка будет перемещаться между двумя полюсами;
• также она будет экранировать магнитное поле;
• во время каждого оборота будет происходить электрический импульс в тахометр.

А чтобы увеличить точность показателей нужно увеличить количество используемых магнитов.

Применение датчиков Холла для мобильных телефонов и прочей техники

Прибор может выдавать такие состояния сигнала:

• единица при наличии сигнала (горящий светодиод);
• ноль при его отсутствии и потухший светодиод.

Эта особенность выдачи сигнала сделала данное устройство незаменимым элементом для мобильных телефонов и прочей цифровой техники. Датчики можно размещать в одном корпусе с логическими элементами и микроконтроллерами, а также цеплять прямо к ним.

Примеры использования данного устройства для телефонов и техники такие:

Также еще очень широко используются эти приборы в электрических двигателях и в автомобилях в качестве датчиков положения , об этом мы расскажем более подробно чуть позже.

Классификация датчиков Холла

Это устройство работает в паре с магнитным полем. Оно подразделяется на две основные категории:

• аналоговое;
• цифровое.

Аналоговый прибор способен перерабатывать индукцию в напряжение, а величина, которую он способен показать, зависит от полярности магнитного поля и силы. Также учитывайте и дистанцию его установки.

Благодаря цифровым приборам можно определить есть ли вообще поле .

Работают они так:

• Датчик выдаст логическую единицу при условии достижения индукции нужного порога.
• Если порог не достигается, то выдается логический ноль.
• Если индукция слабая, а прибор имеет низкую чувствительность, то можно и не зафиксировать поле.

Огромный недостаток цифрового прибора – это наличие нечувствительной межпороговой зоны.

Цифровые приборы, в свою очередь, подразделяются биполярные на две категории:

• биполярные датчики Холла , способные реагировать на изменение полярности магнитного поля. Так, одна полярность отключает прибор, а вторая наоборот включает;
• униполярные могут включаться лишь при наличии определенной полярности и выключаются они при снижении индукции.

Особенности применения датчика Холла в автомобиле

В машине датчик Холла работает по принципу обычного ключа – замыкателя и размыкателя. Магнит при этом вращается в трамблере и влияет на закрепленный стационарным способом сам датчик. Когда последний начинает «чувствовать» магнитное поле, он начинает подавать импульсы, которые, в свою очередь, вызывают искру для зажигания.

Для автомобиля датчик Холла является одним из ключевых элементов системы его зажигания и присутствует в любой модели независимо от комплектации и стоимости.

Иногда этот прибор может применяться в цифровых автомобильных спидометрах или тахометрах, а также применяться для проверки скорости движения передаточных данный и с целью контроля работы антиблокировочной системы машины.

Кроме того, данный агрегат отличается высокой надежностью. Он способен работать далеко не один год, а ломается, как правило, из-за сильного физического воздействия или вследствие сильных загрязнений. Очень часто датчик устанавливается так, чтобы его можно было с легкостью в любой момент снять и сменить . Исключение составляют только те приборы, которые используются для контроля наиболее сложных автомобильных систем.

Как проверить датчик Холла самостоятельно

Есть несколько методов проверки проверка устройства на предмет работоспособности. Каждый из них вы можете применять самостоятельно в зависимости от тех или иных обстоятельств:

Особенности применения датчиков Холла

Если подобный прибор применяется в узле конструкции, то за ним нужно очень тщательно следить. Помните о частых и регулярных проверках, а также профилактических мероприятиях для схемы, которая ответственна за подключение.

При обслуживании старайтесь не испортить конструкцию устройства. Поэтому, чтобы не допустить его порчу, отсоединение прибора от питания должно производиться после выключения зажигания. Благодаря этому вы не допустите перепадов тока, соответственно, прибор не сломается.

Неработающие агрегаты в большинстве случаев не ремонтируют, поскольку на практике ремонт совершенно бесполезен. Сломанное устройство просто утилизируют, а на его место ставят новое.

Ключевое преимущество датчиков Холла заключается в том, что при соблюдении допустимых рабочих значений тока и напряжении, его может хватить на огромное количество включений и выключений телефонов, смартфонов, ноутбуков и других приборов. В отличие от геркона, в приборе отсутствуют электромеханические контакты, которые быстро изнашиваются.

Итак, мы вкратце рассказали о том, что такое датчик Холла, по какому принципу он работает, и какую функцию он способен выполнять в автомобилях, а также мобильных телефонах и прочих видах цифровой техники.