센서 - 한 물리량을 다른 물리량(보통 전기)으로 변환하는 변환기는 가정 및 산업 기기에 널리 사용됩니다. 그것들이 없으면 압력 및 유량(기체 또는 액체)과 같은 기술적 매개변수를 측정, 디지털화 및 처리하는 것이 불가능하지는 않더라도 매우 어렵습니다. 온도레벨, 자기장 또는 전기장의 강도 등. 가장 널리 사용되는 센서 중 하나는 홀 센서입니다. 이는 일상 생활(스마트폰 또는 랩톱에서 시작)과 가장 복잡한 산업 장비 모두에서 사용됩니다.
홀 효과 - 작동 원리
이 효과는 1879년 미국 물리학자 Edwin Hall에 의해 발견되었으며 그의 이름을 따서 명명되었습니다. 현상의 본질은 금속판을 가져 와서 전류를 통과시킨 다음 (그림에서 AB 방향으로) 예를 들어 영구 자석에 의해 생성 된 자기장으로 판에 작용하면, 전류가 흐르는 방향(그림의 CD)에 수직인 방향으로 전위차가 발생합니다.
이 효과는 움직이는 전하에 작용하는 로렌츠 힘과 운동 방향에 수직인 방향으로 전하를 이동시키기 때문에 발생합니다. 결과적으로 플레이트의 가장자리에서 전위차가 발생하며 이는 측정하거나 액추에이터를 작동하는 데 사용할 수 있습니다(사전 증폭을 통해). 이 차이는 다음에 따라 다릅니다.
- 흐르는 전류의 세기에;
- 자기장의 강도;
- 도체의 자유 전하 캐리어 농도.
이 현상은 발견자의 이름을 따서 명명되었습니다 - 홀 효과.
홀센서의 종류와 구성
지난 세기까지 발견된 효과는 실제 적용을 발견했습니다. 이것은 자기장 센서의 구성을 위한 기초입니다. 그들의 장점은 리드 스위치와 달리 이동 및 마찰 요소가 없으므로 신뢰성이 훨씬 높다는 것입니다. 감수성의 원리에 따라 산업용 센서 홀은 다음과 같이 나뉩니다.
- 단극 (하나의 자극에만 반응 - 북쪽 또는 남쪽);
- 양극성(한 극성의 자기장에 노출되면 켜지고 반대 극성의 자기장에 노출되면 꺼짐);
- 옴니폴라 - 자석의 모든 극에 반응합니다.
움직이는 전하의 자기장에 의해 생성된 전위차는 기껏해야 수십 마이크로볼트의 단위입니다. 실제 적용의 경우 이것으로 충분하지 않으며 전위차가 증폭되어야 합니다. 이 증폭기는 센서 하우징에 직접 내장되며 장치는 증폭기 유형에 따라 두 가지 클래스로 나뉩니다.
- 비슷한 물건. 그들에서 센서 출력의 전압은 자기장에 비례합니다(자석의 강도와 자석으로부터의 거리에 따라 다름). 그들은 연산 증폭기를 기반으로 제작되었으며 자기장을 측정하는 데 사용됩니다.
- 디지털. 앰프를 설치한 후 비교기 또는 슈미트 트리거. 자기 유도가 특정 임계값에 도달하면 출력 전압이 0에서 높은 수준(일반적으로 공급 전압 수준)으로 변경됩니다. 이러한 센서는 자기 릴레이 또는 펄스 발생기를 만드는 데 사용됩니다. 플레이트에서 증폭된 신호는 임계값 장치에 공급됩니다. 설정된 레벨에 도달하면 센서가 트리거됩니다. 트리거링 레벨은 센서에서 자기장 소스까지의 거리를 변경하여 조정할 수 있습니다.
홀 센서 애플리케이션
가정에서 홀 센서의 가장 일반적인 적용은 자동차의 비접촉 점화 시스템에 있습니다. 그들의 장점은 기계적 접촉 그룹이 없다는 것입니다. 이는 마모가 없고 접점이 타거나 기계적 고장의 위험이 없음을 의미합니다.
분배 시스템에는 엔진 크랭크축, 영구 자석 및 홀 센서 자체에 의해 회전 구동되는 돌출부가 있는 플레이트가 포함됩니다. 플레이트가 회전함에 따라 크랭크축의 위치에 의해 결정된 엄격하게 정의된 순간의 돌출부가 센서와 자석 사이의 간격으로 들어가 자기장의 매개변수를 변경합니다. 센서는 필요한 순간에 고전압 코일에 공급되는 전압을 조절하는 크랭크축의 회전과 동기화된 펄스를 생성합니다. 차량의 자기장 센서는 크랭크 샤프트의 위치를 인식하는 데에도 사용됩니다.
자기적으로 민감한 센서의 또 다른 용도는 전기 모터 회전자의 위치를 결정하는 것입니다. 릴레이 요소는 모터 고정자에 부착되며 극이 지나갈 때 트리거됩니다. 이 원리는 회전 카운터나 속도계를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
홀 효과를 기반으로 한 장치는 랩톱 또는 모바일 장치에 사용되며 덮개의 닫힌 위치를 나타냅니다. 센서가 트리거되면 컴퓨터가 절전 모드로 전환되거나 종료됩니다.그리고 스마트폰에서 지구 자기장에 반응하는 센서의 기능 중 하나는 전자 나침반의 작동을 조직화하는 것입니다.
아날로그 홀 센서는 자기장 레벨을 추정해야 하는 측정 기기에 사용됩니다. 도체의 전류를 비접촉으로 측정하는 데 필수입니다. 아시다시피 도체에 전류가 흐르면 도체 주위에 자기장이 발생합니다. 강도는 현재 강도에 따라 다릅니다. 전류가 교류이면 다른 수단(예: 변류기)으로 필드를 측정할 수 있지만 직류의 경우 홀 센서 없이는 측정할 수 없습니다. 이것이 DC 전류 클램프가 작동하는 원리입니다.
홀 효과의 가장 이국적인 응용은 그 원리에 기반한 이온 로켓 엔진의 구성입니다.
적절한 기능을 위해 홀 센서를 테스트하는 방법
센서를 테스트하려면 센서 자체 외에도 다음이 필요한 간단한 회로를 조립할 수 있습니다.
- 올바른 전압의 전원 공급 장치;
- 저항기 약 1kOhm의 저항;
- 주도의;
- 자석.
LED가 없으면 대신 멀티미터(및 전류 제한 저항)를 사용할 수 있습니다. 멀티미터 (디지털 또는 포인터) 전압 측정 모드에서.
전원 공급 장치에 대한 특별한 요구 사항은 없습니다. 회로의 전류는 매우 작습니다. 그 전압은 테스트된 센서의 공급 전압 내에 있어야 합니다. 센서는 일반적으로 오픈 컬렉터로 만들어지기 때문에 LED는 양극과 전압 소스의 플러스에 연결되고 음극은 테스트 대상 장치의 출력에 연결됩니다(그러나 데이터 시트를 확인하는 것이 좋습니다).
테스트 절차는 테스트 중인 장치의 유형에 따라 다릅니다.
- 단극 디지털 센서를 테스트하려면 하나의 극이 있는 자석을 센서에 가져와야 합니다.LED가 켜져야 합니다(전압계의 화살표가 빗나가거나 디지털 테스터의 판독값이 크게 변경되어야 함). 상당한 거리에서 자석을 제거하면 회로가 원래 위치로 돌아가야 합니다. 센서가 작동하지 않으면 다른 극으로 자석을 돌려 절차를 반복해야 합니다. LED가 깜박이면 센서가 양호한 것입니다. 자석의 어떤 위치에서도 성공하지 못하면 장치가 작동하기에 부적합합니다.
- 바이폴라 디지털 센서도 비슷한 방법으로 테스트를 하는데 자석의 한 위치에서만 LED가 켜지고 자기장의 근원이 제거되면 꺼지지 않는다. 회로는 동일한 극으로 추가 조작에 응답하지 않아야 합니다. 자석을 뒤집어서 반대 극성의 센서에 대면 LED가 꺼집니다. 이것은 테스트 중인 장치가 제대로 작동하고 있음을 나타냅니다. 회로가 제대로 작동하지 않으면 센서가 고장난 것입니다.
- 옴니폴라 디지털 홀 센서는 단극 센서와 동일한 방식으로 테스트되지만 자석 감지 장치는 모든 자석 위치에서 작동해야 합니다.
아날로그 센서는 디지털 센서와 동일한 기술을 사용하여 테스트되지만 출력 전압은 급격한 변화가 아니라 자력이 증가함에 따라 부드럽게 변경되어야 합니다(예: 영구 자석에 접근하거나 전자석 코일의 전류 증가).
실용적인 면에서는 자동차의 비접촉식 점화장치에 설치된 홀 센서를 어떻게 확인하는지 흥미롭다. 이렇게 하려면 센서에서 커넥터를 제거하고 위의 회로를 핀에 직접 조립해야 합니다.
여기에서도 LED를 멀티미터로 교체할 수 있습니다. 자동차의 크랭크축을 수동으로 돌리면 간헐적으로 LED가 깜박이거나 출력 전압이 0에서 대략 자동차의 온보드 전압으로 변경되는 것을 관찰할 수 있습니다.차고 상태를 확인하는 다른 방법은 장치를 알려진 결함이 있는 예비 센서로 일시적으로 교체하는 것입니다.
홀 센서는 가정 및 산업 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 작동 방식에 대한 이해가 있으면 확인하는 것은 어렵지 않습니다.
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