СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-1

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 2) величина индукции магнитного по ля В n практически не изменяется в месте расположения элемента Хол ла, т.е. все части элемента Холла на ходятся в однородном поле; 3) высокая воспроизводимость усиле ния магнитного потока, что требует применения материалов с низкой коэрцитивной силой, а также с вы сокой начальной магнитной прони цаемостью, обладающей повышен ной временной стабильностью; 4) высокий порог величиныиндукции внешнего магнитного поля, при ко тором концентратор входит в ре жим насыщения; 5) прифункционировании в перемен ных ЭМП – широкий частотный ди апазон. Очевидно, что подобрать единствен ный материал и небольшие размеры на все случаи использования концен траторов в датчиках магнитных полей крайне затруднительно, но установить взаимосвязи и влияние геометричес ких размеров, конфигурации и маг нитных свойств на прохождение маг нитного потока по концентратору представляется важным для понима ния принципов проектирования и оптимизации датчиков. На рисунке 2 представлено расчёт ное распределение индукции магнит ного поля В n , начиная с оси симмет рии вдоль радиуса, для концентрато ра, который изображен на с рисун ке 1а, выполненного из стали 45 с раз мерами L = 100 мм, d = 1 мм, R = 1 мм при B 0 = 2,5 мT. Значения коэффициен та усиления K Y при различных геомет рических размерах концентратора приведены в таблице 1, от величины B 0 – в таблице 2. Расчётным путём по казано, что при длине каждого из стержней 100 мми зазоре 0,15 мммож но достичь усиления магнитного по тока примерно в 400 раз. Из проведённых расчётов следует, что K Y постоянно только при неболь ших значениях внешнего магнитного поля B 0 . В общем случае K Y является функцией как геометрических пара метров, так и B 0 , и стремится к 1 при больших значениях B 0 , что соответ ствует состояниюнасыщения концен тратора, когда В = K Y B 0 приближается к В s – индукции технического насы щения материала концентратора. Ес ли выбран материал концентратора с большой начальной магнитной про ницаемостью, то при небольших зна чениях B 0 коэффициент усиления K Y определяется только геометрически ми размерами концентратора; с повы шением B 0 начинают сказываться маг нитные характеристики материала концентратора, описываемые петлёй гистерезиса В ( Н ). Не менее важным является вопрос степени заострения концентратора, если он выполнен в соответствии с рисунком 1б. Очевидно, что техноло гически необходимо размещать эле мент Холла в зазоре с приближённо одинаковым значением индукции магнитного поля. Поэтому необходи мо обеспечить, чтобы площадь мень шего основания конуса была мини мально возможной для размещения элемента Холла и одновременно вы полнялись приведённые выше требо вания (1) и (2). На рисунке 3 представлены расчёт ные зависимости индукции магнитно го поля В n в зазоре концентраторов магнитного потока со свойствами ста ли 1117Steel. Приведены аналогичные зависимости и для феррита марок 2000МН, 3000МН как функции рассто яния от оси концентратора при вели чине индукции внешнего магнитного поля В 0 = 0,001 мТл и следующих гео метрических размерах концентрато ра (согласно рисунку 1б): L = 30 мм, 2 R = 3 мм, d = 0,15 мм, r = 0,25 мм, что позволяет разместить элемент Холла с размерами 0,3 × 0,3 × 0,150 мм. Зависи мость I соответствует ω = 10 ° , II соответ ствует ω = 20 ° , III соответствует ω = 45 ° ; зависимость IV соответствует случаю, когда концы концентраторов не за острены (см. рис. 1а), т.е. ω = 90 ° . В таб лице 3 приведенырасчётные значения коэффициентов усиления K Y при раз личных значениях углов ω , что позво ляет оптимизировать диапазон значе ний угла ω , при котором выполняются основные требования. Анализ полученных данных показы вает, что оптимальным является диа пазон угла ω, равный 17,5…22,5 ° , что соответствует углу при вершине кону са 2 ω = 35…45 ° [9]. Результаты расчётов были использо ваны при изготовлении трёхкоорди натного датчика слабых магнитных полей на эффекте Холла для примене ния в малых космических аппаратах в рамках программного мероприятия №2.5 научно технической программы Союзного государства «Разработка ба зовых элементов, технологий созда ния и применения орбитальных и на 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2011 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 В, Тл 0,5 L, мм 1 Рис. 2. Распределение индукции магнитного поля для концентратора магнитного потока ω , град 10 20 30 45 90 K Y 183…134 177 169 159 84,5 Таблица 1. Значения коэффициента усиления K Y ( d ) при различных геометрических размерах концентратора магнитного потока Таблица 2. Значения коэффициента усиления K Y при различных величинах B 0 Таблица 3. Расчётные значения коэффициентов усиления K Y при различных значениях углов ω Геометрические параметры, мм L = 100 d = 0,15 L = 100 d = 0,25 L = 100 d = 0,5 L = 100 d = 1 L = 100 d = 2 L = 100 d = 4 K Y 404 204 120 66 33,6 15,0 B 0 , мTл 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Геометрические параметры, мм L = 100, d = 0,15 K Y 404 174 128 102 50 5 B0, мTл 2,5 5,0 7,5 10,0 25,0 250 0 0 0,00005 0,0001 0,00015 0,0002 В, Тл 0,1 L, мм 0,2 0,3 0,4 0,5 I II III IV Рис. 3. Расчётные зависимости индукции магнитного поля В n в зазоре концентраторов магнитного потока © СТА-ПРЕСС