Οι αισθητήρες είναι μετατροπείς ενός φυσικού μεγέθους σε ένα άλλο (συνήθως ηλεκτρικό μέγεθος) και χρησιμοποιούνται ευρέως σε οικιακές και βιομηχανικές συσκευές. Χωρίς αυτά είναι πολύ δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να μετρηθούν, να ψηφιοποιηθούν και να επεξεργαστούν παράμετροι της διεργασίας, όπως η πίεση και η ροή (αερίου ή υγρού), θερμοκρασίαπίεση, στάθμη, ένταση μαγνητικού ή ηλεκτρικού πεδίου κ.λπ. Ένας από τους πιο διαδεδομένους αισθητήρες είναι ο αισθητήρας αίθουσας - χρησιμοποιείται τόσο σε οικιακές εφαρμογές (ξεκινώντας από τα smartphones ή τους φορητούς υπολογιστές) όσο και στον πιο εξελιγμένο βιομηχανικό εξοπλισμό.
Περιεχόμενο
Το φαινόμενο Hall - αρχή λειτουργίας
Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1879 από τον Αμερικανό φυσικό Edwin Hall και πήρε το όνομά του. Η ουσία του φαινομένου είναι ότι αν πάρετε μια μεταλλική πλάκα και τη διαπεράσετε με ηλεκτρικό ρεύμα (με κατεύθυνση ΑΒ στο σχήμα) και στη συνέχεια επιδράσετε στην πλάκα με ένα μαγνητικό πεδίο, όπως αυτό που δημιουργείται από έναν μόνιμο μαγνήτη, θα προκύψει μια διαφορά δυναμικού στην κατεύθυνση που είναι κάθετη στη ροή του ρεύματος (CD στο σχήμα).
Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στη δύναμη Lorentz που επενεργεί στα κινούμενα φορτία και τα μετατοπίζει προς μια κατεύθυνση κάθετη στη διεύθυνση της κίνησης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορά δυναμικού στα άκρα της πλάκας, η οποία μπορεί να μετρηθεί ή να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενεργοποιητών (με ενίσχυση). Η διαφορά αυτή εξαρτάται από:
- την ένταση του ρεύματος που ρέει,
- την ένταση του μαγνητικού πεδίου,
- η συγκέντρωση των φορέων ελεύθερου φορτίου στον αγωγό.
Το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον ανακαλύπτη του - το φαινόμενο Hall.
Τύποι και κατασκευή αισθητήρων Hall
Το φαινόμενο αυτό, το οποίο ανακαλύφθηκε τον προπερασμένο αιώνα, βρήκε πρακτική εφαρμογή. Αποτελεί τη βάση για τους αισθητήρες μαγνητικού πεδίου. Το πλεονέκτημά τους είναι ότι δεν έχουν κινούμενα ή τριβόμενα στοιχεία (σε αντίθεση με τους διακόπτες reed), οπότε η αξιοπιστία τους είναι πολύ μεγαλύτερη. Σύμφωνα με την αρχή της ευαισθησίας τους βιομηχανικοί αισθητήρες Οι αισθητήρες Hall διακρίνονται σε:
- μονοπολικό (αντιδρά μόνο σε έναν μαγνητικό πόλο - βόρειο ή νότιο),
- διπολικός (ενεργοποιείται από μαγνητικό πεδίο της ίδιας πολικότητας, απενεργοποιείται από μαγνητικό πεδίο αντίθετης πολικότητας),
- παντοπολικός - ανταποκρίνεται σε οποιονδήποτε πόλο ενός μαγνήτη.
Η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από ένα μαγνητικό πεδίο που επιδρά σε κινούμενα φορτία είναι μονάδες, στην καλύτερη περίπτωση δεκάδες μικροβόλτ. Αυτό δεν είναι αρκετό για πρακτικές εφαρμογές, η διαφορά δυναμικού πρέπει να ενισχυθεί. Αυτοί οι ενισχυτές είναι ενσωματωμένοι απευθείας στο περίβλημα του αισθητήρα και οι συσκευές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τύπο του ενισχυτή.
- Αναλογικά. Η τάση στην έξοδο του αισθητήρα είναι ανάλογη του μαγνητικού πεδίου (εξαρτάται από την ισχύ του μαγνήτη και την απόσταση από αυτόν). Βασίζονται σε λειτουργικούς ενισχυτές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων.
- Ψηφιακή. Μετά τον ενισχυτή το συγκριτής ή μια σκανδάλη Schmitt. Η τάση εξόδου μεταπηδά από το μηδέν σε ένα υψηλό επίπεδο (συνήθως στο επίπεδο της τάσης τροφοδοσίας) όταν η μαγνητική επαγωγή φτάσει ένα ορισμένο όριο. Αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών ρελέ ή γεννητριών παλμών. Το ενισχυμένο σήμα από την πλάκα τροφοδοτείται στη διάταξη κατωφλίου. Όταν επιτευχθεί η καθορισμένη στάθμη, ο αισθητήρας ενεργοποιείται. Το επίπεδο απόκρισης μπορεί να ρυθμιστεί μεταβάλλοντας την απόσταση του αισθητήρα από την πηγή μαγνητικού πεδίου.
Εφαρμογές αισθητήρων Hall
Η πιο συνηθισμένη εφαρμογή των αισθητήρων Hall στο σπίτι είναι τα συστήματα ανάφλεξης χωρίς επαφή για οχήματα. Έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν υπάρχουν μηχανικές ομάδες επαφής. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει φθορά, δεν καίγονται οι επαφές και δεν υπάρχει κίνδυνος μηχανικής βλάβης.
Το σύστημα διανομής περιλαμβάνει μια πλάκα με προεξοχές, που κινείται από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα, έναν μόνιμο μαγνήτη και τον ίδιο τον αισθητήρα Hall. Καθώς η πλάκα περιστρέφεται, οι προεξοχές προσκρούουν στο διάκενο μεταξύ του αισθητήρα και του μαγνήτη σε μια ακριβώς καθορισμένη στιγμή, που καθορίζεται από τη θέση του στροφαλοφόρου άξονα, μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο. Ο αισθητήρας παράγει παλμούς, συγχρονισμένους με την περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα, οι οποίοι ρυθμίζουν την τάση που εφαρμόζεται στο πηνίο υψηλής τάσης στις απαιτούμενες στιγμές. Οι αισθητήρες μαγνητικού πεδίου στο όχημα χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση της θέσης του στροφαλοφόρου άξονα.
Μια άλλη χρήση των μαγνητικά ευαίσθητων αισθητήρων είναι ο προσδιορισμός της θέσης των ρότορων των ηλεκτροκινητήρων. Το στοιχείο ρελέ είναι προσαρτημένο στον στάτη του κινητήρα και ενεργοποιείται όταν περάσει ο πόλος. Αυτή η αρχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός μετρητή ταχύτητας ή ενός μετρητή ταχύτητας.
Οι συσκευές που βασίζονται στο φαινόμενο Hall χρησιμοποιούνται σε φορητούς υπολογιστές ή κινητές συσκευές - ως ένδειξη της κλειστής θέσης του καπακιού. Όταν ενεργοποιηθεί ο αισθητήρας, ο υπολογιστής πέφτει σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας ή απενεργοποιείται. Και στα smartphones, μία από τις λειτουργίες ενός αισθητήρα που αντιδρά στο μαγνητικό πεδίο της Γης είναι να οργανώνει τη λειτουργία μιας ηλεκτρονικής πυξίδας.
Οι αναλογικοί αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται σε όργανα μέτρησης, όπου είναι απαραίτητη η αξιολόγηση του μαγνητικού πεδίου. Είναι απαραίτητα για τις μη-επαφής μετρήσεις της ροής ρεύματος σε έναν αγωγό. Όπως γνωρίζετε, όταν ρεύμα διαρρέει έναν αγωγό, δημιουργείται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Η ισχύς του εξαρτάται από την ένταση του ρεύματος. Εάν το ρεύμα είναι εναλλασσόμενο, το πεδίο μπορεί να μετρηθεί με άλλα μέσα (π.χ. μετασχηματιστή ρεύματος), αλλά με συνεχές ρεύμα είναι απαραίτητος ο αισθητήρας Hall. Αυτή είναι η αρχή με την οποία λειτουργούν οι σφιγκτήρες συνεχούς ρεύματος.
Η πιο εξωτική εφαρμογή του φαινομένου Hall είναι η κατασκευή πυραυλοκινητήρων ιόντων που βασίζονται στην αρχή του.
Πώς να δοκιμάσετε έναν αισθητήρα Hall
Για να δοκιμάσετε τον αισθητήρα, μπορείτε να συναρμολογήσετε ένα απλό κύκλωμα, το οποίο, εκτός από τον ίδιο τον αισθητήρα, απαιτεί
- Ένα τροφοδοτικό της σωστής τάσης,
- μια αντίσταση αντίσταση περίπου 1 kΩ,
- LED,
- μαγνήτης.
Εάν δεν υπάρχει διαθέσιμη λυχνία LED, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα πολύμετρο (και μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος). πολύμετρο (ψηφιακός μετρητής ή μετρητής πολλαπλών λειτουργιών) σε λειτουργία μέτρησης τάσης.
Δεν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις για το τροφοδοτικό - τα ρεύματα στο κύκλωμα είναι αρκετά μικρά. Η τάση του πρέπει να είναι εντός της τάσης τροφοδοσίας του υπό δοκιμή αισθητήρα. Συνδέστε τη λυχνία LED με την άνοδό της στη συν πλευρά της πηγής τάσης, με την κάθοδο της στην έξοδο της υπό δοκιμή συσκευής, καθώς ο αισθητήρας είναι συνήθως κατασκευασμένος με ανοιχτό συλλέκτη (αλλά είναι καλύτερα να ελέγξετε το φύλλο δεδομένων).
Η διαδικασία δοκιμής εξαρτάται από τον τύπο της υπό δοκιμή συσκευής.
- Για να ελέγξετε έναν μονοπολικό ψηφιακό αισθητήρα, κρατήστε έναν μαγνήτη με τον ένα πόλο προς τον αισθητήρα. Η λυχνία LED θα πρέπει να ανάψει (το βέλος του βολτομέτρου θα πρέπει να εκτραπεί ή η ένδειξη του ψηφιακού δοκιμαστή θα πρέπει να αλλάξει αλματωδώς). Το κύκλωμα θα πρέπει να επανέλθει στην αρχική του θέση όταν ο μαγνήτης απομακρυνθεί σε μεγάλη απόσταση. Εάν ο αισθητήρας δεν λειτουργεί, γυρίστε τον μαγνήτη αντίστροφα και επαναλάβετε τη διαδικασία. Εάν η λυχνία LED αναβοσβήνει, ο αισθητήρας λειτουργεί. Εάν δεν υπάρχει επιτυχία σε καμία από τις δύο θέσεις του μαγνήτη, η συσκευή είναι ακατάλληλη για χρήση.
- Ο διπολικός ψηφιακός αισθητήρας δοκιμάζεται με παρόμοια μέθοδο, μόνο που η λυχνία LED ανάβει σε μία θέση μαγνήτη και δεν σβήνει όταν αφαιρείται η πηγή μαγνητικού πεδίου. Το κύκλωμα δεν θα πρέπει να ανταποκρίνεται σε περαιτέρω χειρισμό με τον ίδιο πόλο. Αν αντιστρέψετε τον μαγνήτη και τον φέρετε στον αισθητήρα με αντίθετη πολικότητα, η λυχνία LED θα πρέπει να σβήσει. Αυτό δείχνει ότι η υπό δοκιμή συσκευή λειτουργεί σωστά. Εάν το κύκλωμα δεν λειτουργεί, τότε ο αισθητήρας είναι ελαττωματικός.
- Ένας πανπολικός ψηφιακός αισθητήρας Hall δοκιμάζεται με τον ίδιο τρόπο όπως ένας μονοπολικός αισθητήρας, αλλά η μαγνητοευαίσθητη διάταξη θα πρέπει να ενεργοποιείται σε οποιαδήποτε θέση μαγνήτη.
Οι αναλογικοί αισθητήρες δοκιμάζονται με την ίδια μεθοδολογία όπως και οι ψηφιακοί αισθητήρες, αλλά η τάση εξόδου δεν πρέπει να μεταβάλλεται απότομα, αλλά ομαλά καθώς αυξάνεται η μαγνητική δύναμη (π.χ. πλησιάζοντας έναν μόνιμο μαγνήτη ή αυξάνοντας το ρεύμα στο τύλιγμα του ηλεκτρομαγνήτη).
Από πρακτικής πλευράς, ένα ενδιαφέρον ερώτημα είναι πώς μπορεί να ελεγχθεί ο αισθητήρας Hall που είναι εγκατεστημένος στο σύστημα ανάφλεξης χωρίς επαφή ενός αυτοκινήτου. Για να το κάνετε αυτό, αφαιρέστε το βύσμα από τον αισθητήρα και συναρμολογήστε το ενδεικνυόμενο κύκλωμα απευθείας στους ακροδέκτες.
Και εδώ, η λυχνία LED μπορεί να αντικατασταθεί από ένα πολύμετρο. Στρέφοντας χειροκίνητα τον στροφαλοφόρο άξονα του αυτοκινήτου, μπορείτε να παρατηρήσετε διακοπτόμενες αναλαμπές LED ή αλλαγές στην τάση εξόδου από το μηδέν έως περίπου την τάση του αυτοκινήτου. Ένας εναλλακτικός τρόπος ελέγχου στο γκαράζ είναι η προσωρινή αντικατάσταση της συσκευής με έναν γνωστό καλό αισθητήρα αντικατάστασης.
Ο αισθητήρας Hall έχει βρει ευρεία χρήση σε οικιακές και βιομηχανικές εφαρμογές. Δεν είναι δύσκολο να το ελέγξετε αν έχετε κατανοήσει πώς λειτουργεί.
Σχετικά άρθρα:
