Co je Hallův snímač: princip činnosti, konstrukce a zkušební metody

Senzory jsou převodníky jedné fyzikální veličiny na jinou (obvykle elektrickou) a jsou široce používány v domácích a průmyslových spotřebičích. Bez nich je velmi obtížné, ne-li nemožné, měřit, digitalizovat a zpracovávat procesní parametry, jako je tlak a průtok (plynu nebo kapaliny), teplotatlak, hladina, intenzita magnetického nebo elektrického pole atd. Jedním z nejrozšířenějších senzorů je Hallův senzor - používá se jak v domácích aplikacích (počínaje chytrými telefony nebo notebooky), tak v nejsložitějších průmyslových aplikacích.

Hallův jev - princip činnosti

Tento jev objevil v roce 1879 americký fyzik Edwin Hall a je po něm pojmenován. Podstata jevu spočívá v tom, že pokud vezmeme kovovou desku a necháme jí procházet elektrický proud (ve směru AB na obrázku) a poté na desku působíme magnetickým polem, například polem vytvořeným permanentním magnetem, vznikne ve směru kolmém na průtok proudu (CD na obrázku) rozdíl potenciálů.

Tento efekt je způsoben Lorentzovou silou, která působí na pohybující se náboje a posouvá je ve směru kolmém na směr pohybu. Výsledkem je rozdíl potenciálů na okrajích desky, který lze měřit nebo použít k ovládání akčních členů (zesílením). Tento rozdíl závisí na:

• sílu protékajícího proudu;
• intenzitu magnetického pole;
• koncentrace volných nosičů náboje ve vodiči.

Jev je pojmenován po svém objeviteli - Hallův jev.

Typy a konstrukce Hallových senzorů

Tento efekt, který byl objeven v předminulém století, našel praktické uplatnění. Je základem pro snímače magnetického pole. Jejich výhodou je, že nemají žádné pohyblivé nebo třecí prvky (na rozdíl od jazýčkových spínačů), takže jejich spolehlivost je mnohem vyšší. Podle jejich principu citlivosti průmyslové senzory Hallovy senzory se dělí na:

• unipolární (reaguje pouze na jeden magnetický pól - severní nebo jižní);
• bipolární (aktivují se magnetickým polem stejné polarity, deaktivují se magnetickým polem opačné polarity);
• omnipolární - reaguje na oba póly magnetu.

Rozdíl potenciálů vytvořený magnetickým polem působícím na pohybující se náboje je v jednotkách, v nejlepším případě v desítkách mikrovoltů. To pro praktické použití nestačí, rozdíl potenciálů je třeba zesílit. Tyto zesilovače jsou zabudovány přímo do pouzdra snímače a zařízení se dělí do dvou tříd podle typu zesilovače.

1. Analogicky. Napětí na výstupu senzoru je úměrné magnetickému poli (závisí na síle magnetu a vzdálenosti od něj). Jsou založeny na operačních zesilovačích a lze je použít k měření magnetických polí.
2. Digitální. Za zesilovačem komparátor nebo Schmittova spoušť. Výstupní napětí vyskočí z nuly na vysokou úroveň (obvykle na úroveň napájecího napětí), když magnetická indukce dosáhne určité prahové hodnoty. Tyto snímače se používají ke konstrukci magnetických relé nebo generátorů impulzů. Zesílený signál z desky je přiveden do prahového zařízení. Po dosažení nastavené úrovně se snímač spustí. Úroveň odezvy lze nastavit změnou vzdálenosti snímače od zdroje magnetického pole.

Aplikace Hallových snímačů

Nejběžnějším použitím Hallových senzorů v domácnosti jsou bezkontaktní zapalovací systémy pro vozidla. Jejich výhodou je, že neobsahují žádné mechanické kontaktní skupiny. To znamená, že nedochází k opotřebení, spálení kontaktů ani k mechanickému poškození.

Rozvodný systém obsahuje desku s výstupky, která se otáčí pomocí klikového hřídele motoru, permanentní magnet a samotný Hallův snímač. Při otáčení desky dopadají výstupky na mezeru mezi snímačem a magnetem v přesně definovaném okamžiku, který je určen polohou klikového hřídele, a mění tak magnetické pole. Snímač generuje impulsy synchronizované s otáčením klikového hřídele, které v požadovaných okamžicích regulují napětí přiváděné na vysokonapěťovou cívku. Snímače magnetického pole ve vozidle se používají také ke zjišťování polohy klikového hřídele.

Dalším využitím magneticky citlivých senzorů je určování polohy rotorů elektromotorů. Reléový prvek je připojen ke statoru motoru a je spuštěn při průchodu pólem. Na tomto principu lze sestavit počítadlo rychlosti nebo měřič rychlosti.

Zařízení založená na Hallově jevu se používají v noteboocích nebo mobilních zařízeních - jako indikátor zavřené polohy víka. Po aktivaci senzoru se počítač uspí nebo vypne. V chytrých telefonech je jednou z funkcí senzoru reagujícího na magnetické pole Země organizace činnosti elektronického kompasu.

Analogové Hallovy snímače se používají v měřicích přístrojích, kde je třeba vyhodnocovat magnetické pole. Jsou nepostradatelné pro bezkontaktní měření průtoku proudu ve vodiči. Jak víte, když vodičem protéká proud, vytváří se kolem něj magnetické pole. Jeho síla závisí na síle proudu. Pokud je proud střídavý, lze pole měřit jinými prostředky (např. proudovým transformátorem), ale u stejnosměrného proudu je nezbytný Hallův snímač. Na tomto principu fungují stejnosměrné proudové svorky.

Nejexotičtějším využitím Hallova jevu je konstrukce iontových raketových motorů založených na jeho principu.

Jak testovat Hallův snímač

K otestování senzoru můžete sestavit jednoduchý obvod, který kromě samotného senzoru potřebuje i

• Napájecí zdroj se správným napětím;
• rezistor odpor přibližně 1 kΩ;
• LED DIODA;
• magnet.

Pokud není k dispozici žádná LED dioda, lze místo ní použít multimetr (a proudový omezovací odpor). multimetr (digitální nebo multifunkční měřič) v režimu měření napětí.

Na napájení nejsou kladeny žádné zvláštní požadavky - proudy v obvodu jsou poměrně malé. Jeho napětí musí být v rozmezí napájecího napětí testovaného snímače. LED diodu připojte anodou k plusové straně zdroje napětí a katodou k výstupu testovaného zařízení, protože senzor je obvykle vyroben s otevřeným kolektorem (ale je lepší se podívat do datasheetu).

Postup zkoušky závisí na typu zkoušeného zařízení.

1. Pro testování unipolárního digitálního senzoru je třeba před senzor umístit magnet s jedním pólem. LED dioda by se měla rozsvítit (šipka voltmetru by se měla vychýlit nebo by se měl skokově změnit údaj digitálního testeru). Obvod by se měl vrátit do původní polohy, když se magnet vzdálí na značnou vzdálenost. Pokud senzor nefunguje, otočte magnet na druhou stranu a postup opakujte. Pokud kontrolka LED bliká, snímač je funkční. Pokud nedojde k úspěchu ani v jedné z poloh magnetu, je zařízení nevhodné k použití.
2. Bipolární digitální snímač se testuje podobnou metodou, pouze LED dioda se rozsvítí v jedné poloze magnetu a nezhasne, když je zdroj magnetického pole odstraněn. Obvod by neměl reagovat na další manipulaci se stejným pólem. Pokud magnet obrátíte a přiblížíte ho k senzoru opačnou polaritou, LED dioda by měla zhasnout. To znamená, že testované zařízení funguje správně. Pokud obvod nefunguje, je snímač vadný.
3. Omnipolární digitální Hallův snímač se testuje stejným způsobem jako unipolární snímač, ale zařízení citlivé na magnet by se mělo sepnout při jakékoli poloze magnetu.

Analogové snímače se testují stejnou metodikou jako digitální snímače, ale výstupní napětí by se nemělo měnit náhle, ale plynule s rostoucí magnetickou silou (např. přiblížením permanentního magnetu nebo rostoucím proudem ve vinutí elektromagnetu).

Z praktického hlediska je zajímavá otázka, jak zkontrolovat Hallův snímač instalovaný v bezkontaktním zapalování automobilu. Za tímto účelem vyjměte konektor ze snímače a sestavte uvedený obvod přímo na kolíky.

I zde lze LED diodu nahradit multimetrem. Ručním otáčením klikového hřídele vozidla můžete pozorovat přerušované blikání LED nebo změny výstupního napětí od nuly až přibližně po palubní napětí vozidla. Alternativním způsobem kontroly v garáži je dočasná výměna zařízení za známý dobrý náhradní snímač.

Hallův snímač našel široké uplatnění v domácích i průmyslových aplikacích. Není obtížné ji zkontrolovat, pokud máte přehled o tom, jak funguje.

Související články: