а - безразмерный коэффициент, являющийся функцией угла Холла.

Если значения активных лроводимостей у, уз подобрать так, чтобы выполнялись условия

= = (19-12)

у, = (а-1), (19-13)

то уравнения для тока упростятся

/1=0,

l2=<ayoUi. (19-14)

Из полученного решения следует, что передача мощности в таком приборе происходит только в одном направлении. Вышеописанную схему авторы проверили экспериментально. Получено усиление 6 дб в одном направлении и затухание 46 дб - в другом.

19-7-3. ЦИРКУЛЯТОРЫ

Циркулятор является цеобратимым элементом с 2п симметрично расположенными электродами. Характеризуется он передачей сигнала только к соседней ио направлению часовой стрелки паре электродов. На остальных электродах сигнал сильно ослаблен. На рис. 19-2 поясняется принцип действия 6-электродного цирку-лятора. Электроды размещаются на ребрах пластины через 60°. Входное напряжение приложено к зажимам 1-1. Подобранное значение магнитной индукции позволяет достигнуть величины угла Холла 0=60°. Этим способом входной сигнал может быть передан только на зажимы 2-2, так как зажимы 3-3 находятся на эквипотенциальной линии. В случае иопользования в качест-284

Рис. 19-2. Принцип действия 6-электродного циркулятора.

ве входных другой пары электродов картина будет аналогичной, но смещенной на 60 или 120°. Работу циркулятора анализировал Грабе [Л. 163].

Тот же автор исследовал циркулятор, изготовленный из германия с удельным сопротивлением р = 6 ом-см. Оказалось, что практически очень трудно расположить электроды симметрично и поэтому требовалось применить систему сопротивлений, симметрирующих циркулятор. Это сопровождалось дополнительными потерями. Получены потери в проводящем направлении 17 дб, а в запорном направлении 61 дб. В вышеуказанных работах не даны частотные характеристики циркулятора.

Рис. 19-3. Принципиальная схема изолятора.

19-7-4. ИЗОЛЯТОРЫ

Необратимым элементом на датчике Холла, который быстрее всего проложил себе дорогу к практическому применению, является изолятор. Он обладает всеми свойствами, подобными свойствам элементов, ранее перечисленных, но простота его действия и конструкции позволяет практически осуществить приборы, использующие <8> этот элемент. Прежде всего он дает возможность конструировать многокаскадные усилители на туннельных диодах, что было до сего времени весьма затруднительно ввиду паразитных связей, появляющихся при последовательном соединении каскадов усилителя на туннельных диодах.

Первое решение по вопросу осуществления изолятора [Л. 407] заключается в том, что в схему симметричного гиратора включаются два резистора, приводящие к асимметрии (рис. 19-3). Условия изоляции получаются благодаря компенсации напряжения асимметрии напряжением Холла при помощи соответственно подобранных значений индукции В. Такой изолятор, однако, довольно неудобен по сравнению с так называемым «скошенным» изолятором, который уже не требует применения сопротивлений

В®

Рис. 19-4. изолятор,

Скошеияый

R\ и R2. На примере скошенного изолятора ниже будут проанализированы свойства и характеристики холловских изоляторов.

Скошенный изолятор представляет собой резко асимметричный датчик Холла. Обозначая для такой схемы (рис. 19-4) элементы матрицы датчика Холла, получим [Л. 251] для/1 = 0:

для /. = 0:

(19-15) (19-16)

(19-17) (19-18)

Из зависимостей (19-15) и (19-18) следуют условия изоляции и пропускной способности. Если гд = уВ, то получается

R,, = 0;

= 2г„ = 2тВ. (19-19)

При практическом создании изолятора (пренебрегая температурной зависимостью его свойств) важнейшими проблемами являются:

1) Получение наименьших потерь мощности в пропускном направлении;

2) сохранение условий изоляции в самом широком интервале частот.

Потери мощности в пропускном направлении мало зависят от частоты, зато величина их в большой степени обусловлена надлежащим подбором материалов изолятора. Согласно Крёмеру [Л. 262], к. п. д. изолятора для условия Ri2=0 и согласованной нагрузки R = RyB представляется следующим выражением:

Подставляя в формулу (19-20) данные из зависимостей (19-15)-(19-19), а также принимая ю внимание, что /?;с =

г* = Р и JP = \ получим известное выра-

Жбййе Дли к. п. Д.

(19-21)

В силу изложенного для получения большого к. п. д. необходимо использовать материалы с большой подвижностью носителей тока (материалом, удовлетворяющим этим словиям, является.прежде всего InSb).

Зависимость (19-21) удовлетворяется только при малых значениях В и, как уже было показано в § 5-4, при больших значениях В ц

-ЮО -80 -60 -40 -20 О

увеличивается медленнее, чем и при В = оо достигает максимальной величины т)=0,172 [Л. 502].

Зато характеристика изоляции обладает сильной зависимостью от частоты. Эта зависимость следует из существования скин-эффекта, который усложняется еще явлением Фарадея {Л. 262], заключающимся плоскости поляризации микроволнового сутствии постоянного магнитного поля.

Рис. 19-5. Частотная стика изолятора.

характери-

во вращении поля в при-Эти эффекты

приводят к уменьшению угла Холла 6, а следовательно, и к исчезновению условий изоляции.

Как показывает Крёмер [Л. 262], влияние вышеописанных явлений будет Пренебрежимо мало, когда толщина датчика Холла с<б, где 6 -глубина проникновения, определяемая зависимостью

б = р/2соро, (19-22)

где со -круговая частота, р,о -магнитная проницаемость вакуума.

Из существующих экспериментальных данных следует, что возможно получение потерь, лишь немного отличающихся от теоретических. Хабард [Л. 208] сообщает об изоляторе, изготовленном из InSb и работающем совместно с туннельным диодом; полученные потери составляют около 12 дб. Кобус [Л. 251] получил на изоляторе из того же материала потери приблизительно 10 дб.

Получение хороших характеристик в широком интервале частот представляет большие трудности. Оба вышеуказанных автора получили похожие характеристики изоляции; одна из них показана на рис. 9-5.

IM Ml 0\ 0

20- 4

40- 8

60\-12

Vim.

10" 10 Мгц

Рис. 19-6. Частотная характеристика многоэлектродного изолятора.

Очень интересное решение изоляторов из датчиков Холла с большим к. п. д. описал Грютцман [Л. 165]. Он исследовал схемы изолятора, гиратора и циркулятора, опираясь иа работу Арльта (Л. 6] (см. § 5-4), посвященную разработке многоэлектродной схемы. Для схемы изолятора с 12 парами входных и выходных электродов потери в пропускном направлении составили только 1,38 дб, что соответствует к. п. д. т] = 0,717. Затухание в запорном направлении составляло около 50 дб. Частотная характеристика этого изолятора показана на рис. 19-6, из которого виден, однако, и главный недостаток этого прибора, а именно ограниченность полосы пропускания, вызванная необходимостью использования трансформаторов для развязки отдельных входных и выходных цепей.

Глава двадцатая

ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

Упомянутые в гл. 12-19 области применения датчиков Холла не исчерпывают, очевидно, всех известных до настоящего времени применений.

В этой главе коротко дается описание других возможностей использования датчиков Холла, которые трудно было причислить к одному из предыдущих разделов. Среди не рассматриваемых здесь применений необходимо вспомнить еще об использовании датчиков Холла в устройствах для обнаруживания короткозамк-нутых витков, в масс-спектроокопии [Л. 166], в анализаторах заряженных ядерных частиц {Л. 573] и для создания переключателя {Л. 317], который позволяет передавать несколько сигналов напряжения, переключая их на общий выход. 288

20-1. РЕЛЕ

Известно, что формула для момента вращения индукционного реле имеет вид:

где Фа и Фв-магнитные потоки, проникающие через диски реле и смещенные относительно друг друга на

угол ф.

Для, схемы на рис. 20-1 при использовании двух датчиков Холла можно написать следующую формулу для напряжения Холла:

Рнс. 20-1. Схема реле на датчиках Холла.

и= /еФ/Хз sin]cp,

где Ф1 и Ф2 - потоки, воздействующие на соответствующие датчики Холла и смещенные друг относительно друга на угол ф.

Аналогия формул позволила провести практическую аналогию, т. е. устройство по упрощенной схеме на рис, 20-1 может полностью заменить индукционное реле, а датчики Холла имеют достаточную мощность для приведения в движение, например, поляризованного реле Р.

Самым простым и целесообразным является создание реле направления мощности с датчиками Холла.

Такие реле, описанные, в частности, в [Л. 471, 552, 664, 666], характеризуются:

а) чувствительностью, приближающейся к чувствительности индукционных реле (мощность срабатывания 0,4-1 ва);

б) временем срабатывания, меньшим времени срабатывания индукционных реле (5-20 мсек);

в) потреблением мощности в 10-40 ва;

г) небольшими размерами;

д) большой надежностью действия;

е) простотой конструкции;

ж) возможностью совместной работы с исполнительным устройством с минимальной мощностью срабатывания 10 вт.