Sensoren zijn omzetters van een fysische grootheid naar een andere (gewoonlijk een elektrische grootheid) en worden veel gebruikt in huishoudelijke en industriële toestellen. Zonder deze is het zeer moeilijk, zo niet onmogelijk, om procesparameters zoals druk en debiet (van gas of vloeistof) te meten, te digitaliseren en te verwerken, temperatuurdruk, niveau, magnetische of elektrische veldsterkte, enz. Een van de meest wijdverbreide sensoren is de Hall-sensor - deze wordt zowel in huishoudelijke toepassingen gebruikt (te beginnen met smartphones of laptops) als in de meest geavanceerde industriële apparatuur.
Inhoud
Het Hall-effect - werkingsprincipe
Het effect werd in 1879 ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Edwin Hall en is naar hem genoemd. De essentie van het verschijnsel is dat wanneer men een metalen plaat neemt en daar een elektrische stroom doorheen laat lopen (in de richting AB in de figuur) en vervolgens op de plaat inwerkt met een magnetisch veld, zoals dat gecreëerd wordt door een permanente magneet, er een potentiaalverschil ontstaat in de richting loodrecht op de stroom (CD in de figuur).
Dit effect wordt veroorzaakt door de Lorentz-kracht die op de bewegende ladingen werkt en ze verschuift in een richting loodrecht op de bewegingsrichting. Dit resulteert in een potentiaalverschil aan de randen van de plaat, dat kan worden gemeten of gebruikt om actuatoren in werking te stellen (door versterking). Dit verschil hangt af van:
- de sterkte van de stroom die loopt;
- de magnetische veldsterkte;
- de concentratie van vrije ladingsdragers in de geleider.
Het verschijnsel is genoemd naar zijn ontdekker - het Hall-effect.
Typen en constructie van Hall-sensoren
Dit effect, dat in de vorige eeuw werd ontdekt, heeft een praktische toepassing gevonden. Het is de basis voor magnetische veldsensoren. Hun voordeel is dat zij geen bewegende of wrijvende elementen hebben (in tegenstelling tot reed-schakelaars), zodat hun betrouwbaarheid veel groter is. Volgens hun gevoeligheidsbeginsel industriële sensoren Hallsensoren zijn onderverdeeld in:
- unipolair (reageert slechts op één magnetische pool - noord of zuid);
- bipolair (geactiveerd door een magnetisch veld van dezelfde polariteit, gedeactiveerd door een magnetisch veld van de tegenovergestelde polariteit);
- omnipolair - reageert op beide polen van een magneet.
Het potentiaalverschil dat wordt opgewekt door een magnetisch veld dat inwerkt op bewegende ladingen is eenheden, op zijn best tientallen microvolts. Dit is niet voldoende voor praktische toepassingen, het potentiaalverschil moet worden versterkt. Deze versterkers worden rechtstreeks in de behuizing van de sensor ingebouwd, en de toestellen worden in twee klassen onderverdeeld naar gelang van het type versterker.
- Analoog. De spanning aan de uitgang van de sensor is evenredig met het magnetisch veld (dit hangt af van de sterkte van de magneet en de afstand tot de magneet). Zij zijn gebaseerd op operationele versterkers en kunnen worden gebruikt voor het meten van magnetische velden.
- Digitaal. Na de versterker de comparator of een Schmitt trigger. De uitgangsspanning springt van nul naar een hoog niveau (gewoonlijk tot het niveau van de voedingsspanning) wanneer de magnetische inductie een bepaalde drempel bereikt. Deze sensoren worden gebruikt om magnetische relais of pulsgeneratoren te bouwen. Het versterkte signaal van de plaat wordt naar de drempelinrichting gevoerd. Wanneer het ingestelde niveau wordt bereikt, wordt de sensor geactiveerd. Het responsniveau kan worden aangepast door de afstand van de sensor tot de bron van het magnetische veld te veranderen.
Hall-sensortoepassingen
De meest gebruikelijke toepassing van Hall-sensoren in huis is in contactloze ontstekingssystemen voor voertuigen. Zij hebben het voordeel dat er geen mechanische contactgroepen zijn. Dit betekent dat er geen slijtage is, geen verbranding van de contacten en geen risico van mechanische defecten.
Het distributiesysteem bevat een plaat met uitsteeksels, in rotatie gedreven door de krukas van de motor, een permanente magneet en de Hall-sensor zelf. Terwijl de plaat draait, raken de projecties de spleet tussen de sensor en de magneet op een nauwkeurig bepaald moment, bepaald door de stand van de krukas, waardoor het magnetisch veld verandert. De sensor genereert pulsen, gesynchroniseerd met de rotatie van de krukas, die de spanning regelen die op de vereiste momenten op de hoogspanningsspoel wordt gezet. Magneetveldsensoren in het voertuig worden ook gebruikt om de positie van de krukas te detecteren.
Een andere toepassing van magnetisch gevoelige sensoren is het bepalen van de positie van rotors van elektromotoren. Het relaiselement is bevestigd aan de stator van de motor en wordt geactiveerd wanneer de pool wordt gepasseerd. Dit principe kan worden gebruikt om een snelheidsteller of een snelheidsmeter te bouwen.
Apparaten op basis van het Hall-effect worden gebruikt in laptops of mobiele toestellen - als indicator voor de gesloten stand van het deksel. Wanneer de sensor wordt geactiveerd, gaat de computer slapen of wordt hij uitgeschakeld. En in smartphones is een van de functies van een sensor die reageert op het magnetisch veld van de aarde, het organiseren van de werking van een elektronisch kompas.
Analoge Hall-sensoren worden gebruikt in meetinstrumenten, waar het magnetisch veld moet worden geëvalueerd. Zij zijn onmisbaar voor contactloze metingen van de stroomsterkte in een geleider. Zoals u weet, ontstaat er een magnetisch veld rond een geleider wanneer er stroom doorheen loopt. De sterkte ervan hangt af van de sterkte van de stroom. Bij wisselspanning kan het veld met andere middelen worden gemeten (b.v. een stroomtransformator), maar bij gelijkspanning is een Hall-sensor onontbeerlijk. Dit is het principe volgens hetwelk gelijkstroomklemmen werken.
De meest exotische toepassing van het Hall-effect is de bouw van op dit principe gebaseerde ionenraketmotoren.
Hoe een Hall-sensor te testen
Om de sensor te testen kunt u een eenvoudige schakeling samenstellen, die naast de sensor zelf het volgende vereist
- Een voeding met de juiste spanning;
- een weerstand weerstand van ongeveer 1 kΩ;
- LED;
- magneet.
Indien geen LED beschikbaar is, kan in plaats daarvan een multimeter worden gebruikt (en een stroombegrenzende weerstand). multimeter (digitale of multifunctionele meter) in de spanningsmeetstand.
Er worden geen bijzondere eisen gesteld aan de stroomvoorziening - de stromen in de schakeling zijn vrij klein. De spanning moet binnen de voedingsspanning van de te testen sensor liggen. Sluit de LED met zijn anode aan op de pluszijde van de spanningsbron, met zijn kathode op de uitgang van het te testen apparaat, aangezien de sensor gewoonlijk is gemaakt met een open collector (maar het is beter dit na te gaan met het gegevensblad).
De testprocedure hangt af van het type te testen toestel.
- Om een unipolaire digitale sensor te testen, moet een magneet met één pool voor de sensor worden geplaatst. De LED moet oplichten (de pijl van de voltmeter moet afbuigen of de aflezing van de digitale tester moet met sprongen veranderen). Het circuit moet terugkeren naar zijn oorspronkelijke positie wanneer de magneet over een aanzienlijke afstand wordt verwijderd. Als de sensor niet werkt, draai de magneet dan andersom en herhaal de procedure. Als de LED knippert, werkt de sensor. Als er in geen van beide standen van de magneet succes is, is het apparaat ongeschikt voor gebruik.
- De bipolaire digitale sensor wordt volgens een soortgelijke methode getest, alleen licht de LED op bij één magneetpositie en gaat niet uit wanneer de magnetische veldbron wordt verwijderd. Het circuit zou niet mogen reageren op verdere manipulatie met dezelfde pool. Als u de magneet omdraait en in tegengestelde polariteit naar de sensor brengt, moet de LED uitgaan. Dit geeft aan dat het geteste apparaat naar behoren functioneert. Als de schakeling niet werkt, dan is de sensor defect.
- Een omnipolaire digitale Hall-sensor wordt op dezelfde manier getest als een unipolaire sensor, maar de magneetgevoelige voorziening moet bij elke magneetpositie uitschakelen.
Analoge sensoren worden volgens dezelfde methode getest als digitale sensoren, maar de uitgangsspanning mag niet plotseling, maar geleidelijk veranderen naarmate de magnetische kracht toeneemt (b.v. bij nadering van een permanente magneet of toenemende stroom in de winding van de elektromagneet).
Een interessante praktische vraag is hoe de Hall-sensor kan worden gecontroleerd die is geïnstalleerd in het contactloze ontstekingssysteem van een auto. Verwijder daartoe de connector van de sensor en monteer de aangegeven schakeling rechtstreeks op de pennen.
Ook hier kan de LED vervangen worden door een multimeter. Door de krukas van de auto met de hand te draaien, kunt u onderbroken LED-knipperingen waarnemen of veranderingen in de uitgangsspanning van nul tot ongeveer de boordspanning van de auto. Een alternatieve manier om dit in de garage te controleren is het apparaat tijdelijk te vervangen door een bekende goede vervangende sensor.
De Hall-sensor wordt op grote schaal gebruikt in huishoudelijke en industriële toepassingen. Het is niet moeilijk om storingen op te sporen als u weet hoe het werkt.
Verwante artikelen:
