Mikä on hallianturi: toimintaperiaate, rakenne ja testausmenetelmät

Anturit ovat yhden fysikaalisen suureen (yleensä sähköisen suureen) muuntimia, ja niitä käytetään laajalti kotitalous- ja teollisuuslaitteissa. Ilman niitä on hyvin vaikeaa, ellei mahdotonta, mitata, digitalisoida ja käsitellä prosessiparametreja, kuten painetta ja virtausta (kaasun tai nesteen), lämpötilapaine, taso, magneetti- tai sähkökentän voimakkuus jne. Yksi yleisimmistä antureista on hallianturi - sitä käytetään sekä kotitaloussovelluksissa (alkaen älypuhelimista tai kannettavista tietokoneista) että kehittyneimmissä teollisuuslaitteissa.

Hall-ilmiö - toimintaperiaate

Amerikkalainen fyysikko Edwin Hall löysi ilmiön vuonna 1879, ja se on nimetty hänen mukaansa. Ilmiön ydin on se, että jos metallilevyn läpi johdetaan sähkövirta (kuvassa suuntaan AB) ja sitten levyyn kohdistetaan magneettikenttä, esimerkiksi kestomagneetin luoma magneettikenttä, syntyy potentiaaliero kohtisuoraan virran kulkuun nähden (kuvassa CD).

Tämä vaikutus johtuu Lorentzin voimasta, joka vaikuttaa liikkuviin varauksiin ja siirtää niitä liikesuuntaan nähden kohtisuoraan. Levyn reunoilla syntyy potentiaaliero, joka voidaan mitata tai jota voidaan käyttää toimilaitteiden käyttämiseen (vahvistamalla). Tämä ero riippuu:

• virran voimakkuus;
• magneettikentän voimakkuus;
• vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuus johtimessa.

Ilmiö on nimetty sen löytäjän mukaan - Hall-ilmiö.

Hall-antureiden tyypit ja rakenne

Tämä toissa vuosisadalla havaittu vaikutus on löytänyt käytännön sovelluksen. Se on magneettikenttäantureiden perusta. Niiden etuna on, että niissä ei ole liikkuvia tai hankaavia osia (toisin kuin reed-kytkimissä), joten niiden luotettavuus on paljon suurempi. Herkkyysperiaatteen mukaan teolliset anturit Hall-anturit jaetaan seuraaviin:

• unipolaarinen (reagoi vain yhteen magneettinapaan - pohjoiseen tai etelään);
• bipolaarinen (aktivoituu saman napaisuuden magneettikentällä, deaktivoituu vastakkaisen napaisuuden magneettikentällä);
• omnipolaarinen - reagoi magneetin kumpaan tahansa napaan.

Liikkuviin varauksiin vaikuttavan magneettikentän synnyttämä potentiaaliero on yksikköä, parhaimmillaan kymmeniä mikrovolttia. Tämä ei riitä käytännön sovelluksiin, vaan potentiaalieroa on vahvistettava. Nämä vahvistimet on rakennettu suoraan anturikoteloon, ja laitteet jaetaan kahteen luokkaan vahvistimen tyypin mukaan.

1. Analoginen. Anturin ulostulon jännite on verrannollinen magneettikenttään (se riippuu magneetin voimakkuudesta ja etäisyydestä siitä). Ne perustuvat operaatiovahvistimiin, ja niitä voidaan käyttää magneettikenttien mittaamiseen.
2. Digitaalinen. Vahvistimen jälkeen komparaattori tai Schmitt-liipaisimella. Lähtöjännite hyppää nollasta korkealle tasolle (yleensä syöttöjännitteen tasolle), kun magneettinen induktio saavuttaa tietyn kynnysarvon. Näitä antureita käytetään magneettisten releiden tai pulssigeneraattoreiden rakentamiseen. Levyn vahvistettu signaali syötetään kynnyslaitteeseen. Kun asetettu taso saavutetaan, anturi laukeaa. Vastetasoa voidaan säätää muuttamalla anturin etäisyyttä magneettikentän lähteestä.

Hall-anturin sovellukset

Hall-antureiden yleisin kotikäyttöön tarkoitettu sovellus on ajoneuvojen kosketuksettomat sytytysjärjestelmät. Niiden etuna on, että niissä ei ole mekaanisia kontaktiryhmiä. Tämä tarkoittaa sitä, ettei kulumista, koskettimien palamista eikä mekaanisen rikkoutumisen riskiä esiinny.

Jakelujärjestelmä sisältää levyn, jossa on ulokkeita, joita moottorin kampiakseli liikuttaa, kestomagneetin ja itse Hall-anturin. Kun levy pyörii, ulokkeet osuvat anturin ja magneetin väliseen rakoon tarkasti määritellyllä hetkellä, joka määräytyy kampiakselin asennon mukaan, ja muuttavat magneettikenttää. Anturi tuottaa kampiakselin pyörimisen kanssa synkronoituja pulsseja, jotka säätelevät suurjännitekäämiin tarvittavina hetkinä syötettävää jännitettä. Ajoneuvossa olevia magneettikenttäantureita käytetään myös kampiakselin asennon havaitsemiseen.

Toinen magneettisesti herkkien antureiden käyttökohde on sähkömoottorin roottorin asennon määrittäminen. Releelementti on kiinnitetty moottorin staattoriin, ja se laukeaa, kun napa ohitetaan. Tätä periaatetta voidaan käyttää nopeuslaskurin tai nopeusmittarin rakentamiseen.

Hall-ilmiöön perustuvia laitteita käytetään kannettavissa tietokoneissa tai mobiililaitteissa - kannen suljetun asennon ilmaisimena. Kun anturi aktivoituu, tietokone siirtyy lepotilaan tai sammuu. Älypuhelimissa yksi maan magneettikenttään reagoivan anturin tehtävistä on järjestää elektronisen kompassin toiminta.

Analogisia Hall-antureita käytetään mittauslaitteissa, joissa on tarpeen arvioida magneettikenttää. Ne ovat välttämättömiä johtimessa kulkevan virran kosketuksettomissa mittauksissa. Kuten tiedät, kun virta kulkee johtimen läpi, sen ympärille syntyy magneettikenttä. Sen voimakkuus riippuu virran voimakkuudesta. Jos virta on vaihtovirtaa, kenttä voidaan mitata muilla keinoin (esim. virtamuuntajalla), mutta tasavirralla Hall-anturi on välttämätön. Tämä on periaate, jonka mukaan tasavirtapihdit toimivat.

Hall-ilmiön eksoottisin sovellus on sen periaatteeseen perustuvien ionirakettimoottoreiden rakentaminen.

Hall-anturin testaaminen

Anturin testaamiseksi voit koota yksinkertaisen piirin, joka vaatii itse anturin lisäksi seuraavat osat

• Oikean jännitteen virtalähde;
• vastus vastus on noin 1 kΩ;
• LED;
• magneetti.

Jos LEDiä ei ole käytettävissä, sen sijaan voidaan käyttää yleismittaria (ja virranrajoitusvastusta). yleismittari (digitaalinen tai monitoimimittari) jännitteen mittaustilassa.

Virtalähteelle ei aseteta erityisiä vaatimuksia - piirin virrat ovat melko pieniä. Sen jännitteen on oltava testattavan anturin syöttöjännitteen sisällä. Kytke ledi anodilla jännitelähteen plus-puolelle ja katodilla testattavan laitteen lähtöön, koska anturi on yleensä avoin kollektori (mutta se on parempi tarkistaa tietolehdestä).

Testausmenettely riippuu testattavan laitteen tyypistä.

1. Yksinapaisen digitaalisen anturin testaamiseksi anturin eteen on asetettava magneetti, jossa on yksi napa. LEDin pitäisi syttyä (jännitemittarin nuolen pitäisi taipua tai digitaalisen testerin lukeman pitäisi muuttua harppauksittain). Piirin pitäisi palata alkuperäiseen asentoonsa, kun magneetti poistetaan huomattavan matkan päähän. Jos anturi ei toimi, käännä magneetti toisinpäin ja toista menettely. Jos LED vilkkuu, anturi toimii. Jos magneetti ei onnistu kummassakaan asennossa, laite ei sovellu käytettäväksi.
2. Bipolaarinen digitaalinen anturi testataan samalla menetelmällä, mutta LED syttyy vain yhdessä magneetin asennossa eikä sammu, kun magneettikentän lähde poistetaan. Piirin ei pitäisi reagoida jatkokäsittelyyn samalla navalla. Jos käännät magneetin ja tuot sen anturiin vastakkaisella napaisuudella, LEDin pitäisi sammua. Tämä osoittaa, että testattava laite toimii oikein. Jos piiri ei toimi, anturi on viallinen.
3. Omnipolaarinen digitaalinen Hall-anturi testataan samalla tavalla kuin unipolaarinen anturi, mutta magneettiherkän laitteen pitäisi laueta missä tahansa magneetin asennossa.

Analogisia antureita testataan samalla menetelmällä kuin digitaalisia antureita, mutta lähtöjännitteen ei pitäisi muuttua äkillisesti vaan tasaisesti magneettivoiman kasvaessa (esim. kestomagneetin lähestyessä tai sähkömagneetin käämin virran kasvaessa).

Käytännön kannalta mielenkiintoinen kysymys on, miten auton kosketuksettomaan sytytysjärjestelmään asennettu Hall-anturi voidaan tarkastaa. Irrota liitin anturista ja kokoa ilmoitettu piiri suoraan nastoihin.

Tässäkin tapauksessa LED voidaan korvata yleismittarilla. Kääntämällä auton kampiakselia manuaalisesti voit havaita ajoittaisia LED-valojen välähdyksiä tai lähtöjännitteen muutoksia nollasta suunnilleen auton sisäisen jännitteen tasolle. Vaihtoehtoinen tapa tarkistaa korjaamolla on korvata laite väliaikaisesti tunnetusti hyvällä korvaavalla anturilla.

Hall-anturia on käytetty laajalti kotitalous- ja teollisuussovelluksissa. Sen tarkistaminen ei ole vaikeaa, jos ymmärrät, miten se toimii.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: