Cos'è un sensore di Hall: principio di funzionamento, costruzione e metodi di prova

I sensori sono trasduttori di una quantità fisica in un'altra (di solito una quantità elettrica) e sono ampiamente utilizzati in elettrodomestici e industriali. Senza di loro è molto difficile, se non impossibile, misurare, digitalizzare e processare parametri di processo come la pressione e il flusso (di gas o liquido), temperaturapressione, livello, intensità di campo magnetico o elettrico, ecc. Uno dei sensori più diffusi è il sensore di hall - viene utilizzato sia nelle applicazioni domestiche (a partire dagli smartphone o dai computer portatili) che nelle apparecchiature industriali più sofisticate.

L'effetto Hall - principio di funzionamento

L'effetto fu scoperto nel 1879 dal fisico americano Edwin Hall e prende il suo nome. L'essenza del fenomeno è che se si prende una piastra metallica e vi si fa passare una corrente elettrica (nella direzione AB della figura) e poi si agisce sulla piastra con un campo magnetico, come quello creato da un magnete permanente, si genera una differenza di potenziale nella direzione perpendicolare al flusso di corrente (CD nella figura).

Questo effetto è dovuto alla forza di Lorentz che agisce sulle cariche in movimento e le sposta in una direzione perpendicolare alla direzione del moto. Questo si traduce in una differenza di potenziale ai bordi della piastra, che può essere misurata o utilizzata per azionare gli attuatori (tramite amplificazione). Questa differenza dipende da:

• la forza della corrente che scorre;
• l'intensità del campo magnetico;
• la concentrazione di portatori di carica liberi nel conduttore.

Il fenomeno prende il nome dal suo scopritore - l'effetto Hall.

Tipi e costruzione di sensori Hall

Questo effetto, scoperto il secolo scorso, ha trovato un'applicazione pratica. È la base dei sensori di campo magnetico. Il loro vantaggio è che non hanno elementi mobili o di sfregamento (a differenza degli interruttori reed), quindi la loro affidabilità è molto più alta. Secondo il loro principio di sensibilità sensori industriali I sensori di Hall si dividono in:

• unipolare (reagisce solo a un polo magnetico - nord o sud);
• bipolare (attivato da un campo magnetico della stessa polarità, disattivato da un campo magnetico della polarità opposta);
• onnipolare - risponde a entrambi i poli di un magnete.

La differenza di potenziale creata da un campo magnetico che agisce su cariche in movimento è unitaria, al massimo decine di microvolt. Questo non è sufficiente per le applicazioni pratiche, la differenza di potenziale deve essere amplificata. Questi amplificatori sono incorporati direttamente nell'alloggiamento del sensore, e i dispositivi sono divisi in due classi a seconda del tipo di amplificatore.

1. Analogico. La tensione all'uscita del sensore è proporzionale al campo magnetico (dipende dalla forza del magnete e dalla distanza da esso). Sono basati su amplificatori operazionali e possono essere utilizzati per misurare i campi magnetici.
2. Digitale. Dopo l'amplificatore il comparatore o un trigger Schmitt. La tensione di uscita salta da zero a un livello alto (di solito al livello della tensione di alimentazione) quando l'induzione magnetica raggiunge una certa soglia. Questi sensori sono utilizzati per costruire relè magnetici o generatori di impulsi. Il segnale amplificato dalla piastra viene alimentato al dispositivo di soglia. Quando il livello impostato viene raggiunto, il sensore si attiva. Il livello di risposta può essere regolato cambiando la distanza dal sensore alla fonte del campo magnetico.

Applicazioni del sensore di Hall

L'applicazione più comune per i sensori Hall in casa è nei sistemi di accensione senza contatto per i veicoli. Hanno il vantaggio che non ci sono gruppi di contatto meccanico. Questo significa che non c'è usura, nessuna bruciatura dei contatti e nessun rischio di rottura meccanica.

Il sistema di distribuzione contiene una piastra con proiezioni, guidata in rotazione dall'albero motore, un magnete permanente e il sensore Hall stesso. Mentre la piastra ruota, le proiezioni colpiscono lo spazio tra il sensore e il magnete in un momento precisamente definito, definito dalla posizione dell'albero motore, alterando il campo magnetico. Il sensore genera degli impulsi, sincronizzati con la rotazione dell'albero motore, che regolano la tensione applicata alla bobina ad alta tensione nei momenti richiesti. I sensori di campo magnetico nel veicolo sono utilizzati anche per rilevare la posizione dell'albero motore.

Un altro uso dei sensori magneticamente sensibili è quello di determinare la posizione dei rotori dei motori elettrici. L'elemento relè è attaccato allo statore del motore e si attiva quando il polo viene superato. Questo principio può essere utilizzato per costruire un contatore di velocità o un misuratore di velocità.

I dispositivi basati sull'effetto Hall sono utilizzati nei computer portatili o nei dispositivi mobili - come indicatore della posizione chiusa del coperchio. Quando il sensore viene attivato, il computer va a dormire o si spegne. E negli smartphone, una delle funzioni di un sensore che reagisce al campo magnetico terrestre è quella di organizzare il funzionamento di una bussola elettronica.

I sensori Hall analogici sono utilizzati negli strumenti di misura, dove è necessario valutare il campo magnetico. Sono indispensabili per le misure senza contatto del flusso di corrente in un conduttore. Come sapete, quando la corrente scorre attraverso un conduttore, si genera un campo magnetico intorno ad esso. La sua forza dipende dalla forza della corrente. Se la corrente è alternata, il campo può essere misurato con altri mezzi (per esempio un trasformatore di corrente), ma con la corrente continua un sensore di Hall è essenziale. Questo è il principio su cui funzionano le pinze di corrente DC.

L'applicazione più esotica dell'effetto Hall è la costruzione di motori a razzo a ioni basati sul suo principio.

Come testare un sensore Hall

Per testare il sensore, potete assemblare un semplice circuito che, oltre al sensore stesso, richiede

• Un alimentatore della tensione corretta;
• una resistenza resistenza di circa 1 kΩ;
• LED;
• magnete.

Se non c'è un LED, si può usare invece un multimetro (e una resistenza limitatrice di corrente). multimetro (misuratore digitale o multifunzione) in modalità di misurazione della tensione.

Non ci sono particolari requisiti per l'alimentazione - le correnti nel circuito sono abbastanza piccole. La sua tensione deve essere all'interno della tensione di alimentazione del sensore in prova. Collegare il LED con il suo anodo al lato positivo della fonte di tensione, con il suo catodo all'uscita del dispositivo in prova, poiché il sensore è di solito fatto con un collettore aperto (ma è meglio controllare con il datasheet).

La procedura di prova dipende dal tipo di dispositivo in prova.

1. Per testare un sensore digitale unipolare, bisogna mettere un magnete con un polo davanti al sensore. Il LED dovrebbe accendersi (la freccia del voltmetro dovrebbe deviare o la lettura del tester digitale dovrebbe cambiare a passi da gigante). Il circuito dovrebbe tornare alla sua posizione originale quando il magnete viene rimosso da una distanza considerevole. Se il sensore non funziona, girate il magnete al contrario e ripetete la procedura. Se il LED lampeggia, il sensore funziona. Se non c'è successo in entrambe le posizioni del magnete, il dispositivo non è adatto all'uso.
2. Il sensore digitale bipolare è testato con un metodo simile, solo che il LED si accende in una posizione del magnete e non si spegne quando la fonte del campo magnetico viene rimossa. Il circuito non dovrebbe rispondere a ulteriori manipolazioni con lo stesso polo. Se inverti il magnete e lo porti al sensore con la polarità opposta, il LED dovrebbe spegnersi. Questo indica che il dispositivo in prova funziona correttamente. Se il circuito non funziona, allora il sensore è difettoso.
3. Un sensore Hall digitale omnipolare è testato allo stesso modo di un sensore unipolare, ma il dispositivo sensibile al magnete dovrebbe scattare in qualsiasi posizione del magnete.

I sensori analogici sono testati utilizzando la stessa metodologia dei sensori digitali, ma la tensione di uscita non dovrebbe cambiare improvvisamente, ma in modo regolare man mano che la forza magnetica aumenta (ad esempio avvicinandosi a un magnete permanente o aumentando la corrente nell'avvolgimento dell'elettromagnete).

Dal punto di vista pratico, una domanda interessante è come controllare il sensore Hall installato nel sistema di accensione senza contatto di un'automobile. Per fare questo, togliete il connettore dal sensore e montate il circuito indicato direttamente sui pin.

Anche qui, il LED può essere sostituito da un multimetro. Girando manualmente l'albero motore dell'auto, si possono osservare lampeggi intermittenti del LED o cambiamenti nella tensione di uscita da zero a circa la tensione di bordo dell'auto. Un modo alternativo per controllare in garage è quello di sostituire temporaneamente il dispositivo con un sensore sostitutivo noto e buono.

Il sensore di Hall ha trovato un uso diffuso nelle applicazioni domestiche e industriali. Non è difficile controllarlo se si ha una comprensione di come funziona.

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