Senzory sú prevodníky jednej fyzikálnej veličiny na druhú (zvyčajne elektrickú veličinu) a sú široko používané v domácich a priemyselných zariadeniach. Bez nich je veľmi ťažké, ak nie nemožné, merať, digitalizovať a spracovávať procesné parametre, ako je tlak a prietok (plynu alebo kvapaliny), teplotatlak, hladina, intenzita magnetického alebo elektrického poľa atď. Jedným z najrozšírenejších snímačov je hallov snímač - používa sa v domácnostiach (počnúc smartfónmi alebo notebookmi) aj v najsofistikovanejších priemyselných zariadeniach.
Obsah
Hallov jav - princíp fungovania
Tento jav objavil v roku 1879 americký fyzik Edwin Hall a je pomenovaný po ňom. Podstata tohto javu spočíva v tom, že ak vezmete kovovú dosku a pustíte cez ňu elektrický prúd (v smere AB na obrázku) a potom na dosku pôsobíte magnetickým poľom, ktoré vytvára napríklad permanentný magnet, vznikne rozdiel potenciálov v smere kolmom na tok prúdu (CD na obrázku).
Tento efekt je spôsobený Lorentzovou silou, ktorá pôsobí na pohybujúce sa náboje a posúva ich v smere kolmom na smer pohybu. Výsledkom je rozdiel potenciálov na okrajoch dosky, ktorý možno merať alebo použiť na ovládanie aktuátorov (zosilnením). Tento rozdiel závisí od:
- silu tečúceho prúdu;
- intenzitu magnetického poľa;
- koncentrácia voľných nosičov náboja vo vodiči.
Tento jav je pomenovaný podľa svojho objaviteľa - Hallov jav.
Typy a konštrukcia Hallových snímačov
Tento efekt, ktorý bol objavený v predminulom storočí, našiel praktické uplatnenie. Je základom pre snímače magnetického poľa. Ich výhodou je, že nemajú žiadne pohyblivé alebo trecie prvky (na rozdiel od jazýčkových spínačov), takže ich spoľahlivosť je oveľa vyššia. Podľa ich princípu citlivosti priemyselné senzory Hallove senzory sa delia na:
- unipolárne (reagujú len na jeden magnetický pól - severný alebo južný);
- bipolárne (aktivované magnetickým poľom rovnakej polarity, deaktivované magnetickým poľom opačnej polarity);
- omnipolárny - reaguje na ktorýkoľvek pól magnetu.
Rozdiel potenciálov vytvorený magnetickým poľom pôsobiacim na pohybujúce sa náboje je v jednotkách, v najlepšom prípade v desiatkach mikrovoltov. Pre praktické aplikácie to nestačí, rozdiel potenciálov sa musí zosilniť. Tieto zosilňovače sú zabudované priamo v puzdre snímača a zariadenia sa delia do dvoch tried podľa typu zosilňovača.
- Analóg. Napätie na výstupe snímača je úmerné magnetickému poľu (závisí od sily magnetu a vzdialenosti od neho). Sú založené na operačných zosilňovačoch a môžu sa používať na meranie magnetických polí.
- Digitálne. Za zosilňovačom komparátor alebo Schmittovou spúšťou. Výstupné napätie vyskočí z nuly na vysokú úroveň (zvyčajne na úroveň napájacieho napätia), keď magnetická indukcia dosiahne určitý prah. Tieto snímače sa používajú na konštrukciu magnetických relé alebo generátorov impulzov. Zosilnený signál z dosky sa privádza do prahového zariadenia. Po dosiahnutí nastavenej úrovne sa spustí snímač. Úroveň odozvy možno nastaviť zmenou vzdialenosti snímača od zdroja magnetického poľa.
Aplikácie Hallovho snímača
Najčastejším použitím Hallových snímačov v domácnosti sú bezkontaktné zapaľovacie systémy pre vozidlá. Ich výhodou je, že nemajú žiadne mechanické kontaktné skupiny. To znamená, že nedochádza k opotrebovaniu, prepáleniu kontaktov ani k riziku mechanickej poruchy.
Rozvodný systém obsahuje dosku s výstupkami, poháňanú kľukovým hriadeľom motora, permanentný magnet a samotný Hallov snímač. Ako sa doska otáča, výstupky narážajú na medzeru medzi snímačom a magnetom v presne definovanom okamihu, ktorý je určený polohou kľukového hriadeľa, čím sa mení magnetické pole. Snímač generuje impulzy synchronizované s otáčaním kľukového hriadeľa, ktoré regulujú napätie privádzané na vysokonapäťovú cievku v požadovaných okamihoch. Snímače magnetického poľa vo vozidle sa používajú aj na zisťovanie polohy kľukového hriadeľa.
Ďalším využitím magneticky citlivých snímačov je určovanie polohy rotorov elektromotorov. Reléový prvok je pripojený k statoru motora a spúšťa sa pri prechode pólu. Tento princíp možno použiť na zostrojenie počítadla rýchlosti alebo merača rýchlosti.
Zariadenia založené na Hallovom efekte sa používajú v prenosných počítačoch alebo mobilných zariadeniach - ako indikátor zatvorenej polohy veka. Keď sa snímač aktivuje, počítač prejde do režimu spánku alebo sa vypne. V smartfónoch je jednou z funkcií snímača, ktorý reaguje na magnetické pole Zeme, organizácia činnosti elektronického kompasu.
Analógové Hallove snímače sa používajú v meracích prístrojoch, kde je potrebné vyhodnocovať magnetické pole. Sú nevyhnutné na bezkontaktné meranie toku prúdu vo vodiči. Ako viete, keď vodičom preteká prúd, vytvára sa okolo neho magnetické pole. Jeho sila závisí od sily prúdu. Ak je prúd striedavý, pole možno merať inými prostriedkami (napr. prúdovým transformátorom), ale pri jednosmernom prúde je nevyhnutný Hallov snímač. Na tomto princípe fungujú svorky jednosmerného prúdu.
Najexotickejším využitím Hallovho javu je konštrukcia iónových raketových motorov na jeho princípe.
Ako otestovať Hallov senzor
Na otestovanie senzora môžete zostaviť jednoduchý obvod, ktorý okrem samotného senzora vyžaduje
- Napájací zdroj so správnym napätím;
- rezistor odpor približne 1 kΩ;
- LED DIÓDY;
- magnet.
Ak nie je k dispozícii žiadna LED dióda, možno namiesto nej použiť multimeter (a rezistor na obmedzenie prúdu). multimeter (digitálny alebo multifunkčný merač) v režime merania napätia.
Na napájanie nie sú kladené žiadne osobitné požiadavky - prúdy v obvode sú pomerne malé. Jeho napätie musí byť v rámci napájacieho napätia testovaného snímača. LED diódu pripojte anódou k plusovej strane zdroja napätia a katódou k výstupu testovaného zariadenia, pretože snímač je zvyčajne vyrobený s otvoreným kolektorom (ale je lepšie si to overiť v technickom liste).
Postup testovania závisí od typu testovaného zariadenia.
- Na testovanie unipolárneho digitálneho snímača sa pred snímač musí umiestniť magnet s jedným pólom. LED dióda by sa mala rozsvietiť (šípka voltmetra by sa mala vychýliť alebo údaj digitálneho testera by sa mal skokovo zmeniť). Obvod by sa mal vrátiť do pôvodnej polohy, keď sa magnet odstráni na značnú vzdialenosť. Ak snímač nefunguje, otočte magnet na druhú stranu a postup zopakujte. Ak kontrolka LED bliká, snímač je funkčný. Ak nedôjde k úspechu v žiadnej z polôh magnetu, zariadenie nie je vhodné na použitie.
- Bipolárny digitálny senzor sa testuje podobnou metódou, len LED dióda sa rozsvieti pri jednej polohe magnetu a nezhasne, keď sa odstráni zdroj magnetického poľa. Obvod by nemal reagovať na ďalšiu manipuláciu s rovnakým pólom. Ak magnet otočíte a priblížite ho k senzoru opačnou polaritou, LED dióda by mala zhasnúť. To znamená, že testované zariadenie funguje správne. Ak obvod nefunguje, potom je snímač chybný.
- Omnipolárny digitálny Hallov snímač sa testuje rovnakým spôsobom ako unipolárny snímač, ale zariadenie citlivé na magnet by sa malo spustiť pri akejkoľvek polohe magnetu.
Analógové snímače sa testujú rovnakou metodikou ako digitálne snímače, ale výstupné napätie by sa nemalo meniť náhle, ale plynulo so zvyšovaním magnetickej sily (napr. priblížením sa k permanentnému magnetu alebo zvýšením prúdu vo vinutí elektromagnetu).
Z praktického hľadiska je zaujímavá otázka, ako skontrolovať Hallov snímač nainštalovaný v bezkontaktnom zapaľovacom systéme automobilu. Na tento účel odstráňte konektor zo snímača a zostavte uvedený obvod priamo na kolíky.
Aj v tomto prípade možno LED diódu nahradiť multimetrom. Ručným otáčaním kľukového hriadeľa vozidla môžete pozorovať prerušované blikanie LED alebo zmeny výstupného napätia od nuly po približne palubné napätie vozidla. Alternatívnym spôsobom kontroly v garáži je dočasná výmena zariadenia za známy dobrý náhradný snímač.
Hallov senzor našiel široké uplatnenie v domácich a priemyselných aplikáciách. Nie je ťažké ho skontrolovať, ak viete, ako funguje.
Súvisiace články:
