Kaj je Hallov senzor: princip delovanja, naprava in načini testiranja funkcionalnosti

Senzorji - pretvorniki ene fizikalne količine v drugo (običajno električni) se pogosto uporabljajo v gospodinjskih in industrijskih napravah. Brez njih je zelo težko, če ne nemogoče, meriti, digitalizirati in obdelovati tehnološke parametre, kot so tlak in pretok (plina ali tekočine), temperaturoraven, jakost magnetnega ali električnega polja itd. Eden najbolj razširjenih senzorjev je Hallov senzor – uporablja se tako v vsakdanjem življenju (začenši s pametnimi telefoni ali prenosniki) kot v najkompleksnejši industrijski opremi.

Hallov učinek - princip delovanja

Učinek je leta 1879 odkril ameriški fizik Edwin Hall in se po njem imenuje. Bistvo pojava je v tem, da če vzamete kovinsko ploščo in skozi njo spustite električni tok (v smeri AB na sliki), nato pa na ploščo delujete z magnetnim poljem, ki ga na primer ustvari trajni magnet, potem bo v smeri, ki je pravokotna na prehod toka (CD na sliki), nastala potencialna razlika.

Ta učinek nastane zaradi Lorentzove sile, ki deluje na gibljive naboje in jih premakne v smeri, ki je pravokotna na smer gibanja. Posledično nastane potencialna razlika na robovih plošče, ki jo lahko izmerimo ali uporabimo za proženje aktuatorjev (s predojačenjem). Ta razlika je odvisna od:

• glede na moč toka, ki teče;
• jakost magnetnega polja;
• na koncentracijo prostih nosilcev naboja v prevodniku.

Pojav je dobil ime po odkritelju – Hallov učinek.

Vrste in konstrukcija Hallovih senzorjev

Učinek, odkrit že v prejšnjem stoletju, je našel praktično uporabo. Je osnova za konstrukcijo senzorjev magnetnega polja. Njihova prednost je, da nimajo gibljivih in drgnječih elementov (za razliko od reed stikal), zato je njihova zanesljivost veliko večja. Po načelu občutljivosti industrijski senzorji Dvorane so razdeljene na:

• unipolarni (reagirajo samo na en magnetni pol - severni ali južni);
• bipolarni (vklopijo se ob izpostavitvi magnetnemu polju ene polarnosti, izklopijo ob izpostavitvi magnetnemu polju nasprotne polarnosti);
• Omnipolarni - reagira na kateri koli pol magneta.

Potencialna razlika, ki jo ustvari magnetno polje na premikajočih se nabojih, je enota, v najboljšem primeru desetine mikrovoltov. Za praktično uporabo to ni dovolj, potencialno razliko je treba povečati. Ti ojačevalniki so vgrajeni neposredno v ohišje senzorja, naprave pa so glede na vrsto ojačevalnika razdeljene v dva razreda.

1. Analogni. Pri njih je napetost na izhodu senzorja sorazmerna z magnetnim poljem (odvisno od jakosti magneta in oddaljenosti od njega). Zgrajeni so na osnovi operacijskega ojačevalnika in se uporabljajo za merjenje magnetnih polj.
2. Digitalno. Ko je ojačevalnik nameščen primerjalnik ali Schmittov sprožilec. Ko magnetna indukcija doseže določen prag, se izhodna napetost spremeni od nič do visoke ravni (običajno do ravni napajalne napetosti). Takšni senzorji se uporabljajo za izdelavo magnetnih relejev ali generatorjev impulzov. Ojačani signal s plošče se napaja v napravo za prag. Ko je dosežena nastavljena raven, se senzor sproži. Stopnjo proženja je mogoče prilagoditi s spreminjanjem razdalje od senzorja do vira magnetnega polja.

Uporaba Hallovih senzorjev

Najpogostejša uporaba Hallovega senzorja doma je v sistemih za brezkontaktni vžig avtomobila. Njihova prednost je odsotnost mehanskih kontaktnih skupin. To pomeni brez obrabe, brez vžiga kontaktov in brez nevarnosti mehanske okvare.

Distribucijski sistem vsebuje ploščo z izboklinami, ki jo poganja ročična gred motorja, trajni magnet in sam Hallov senzor. Ko se plošča vrti, projekcije v strogo določenem trenutku, ki ga določa položaj ročične gredi, vstopijo v režo med senzorjem in magnetom, spreminjajo parametre magnetnega polja. Senzor generira impulze, sinhronizirane z vrtenjem ročične gredi, ki uravnavajo napajanje visokonapetostne tuljave v potrebnih trenutkih. Za prepoznavanje položaja ročične gredi se uporabljajo tudi senzorji magnetnega polja v vozilu.

Druga uporaba magnetno občutljivih senzorjev je določanje položaja rotorjev elektromotorjev. Relejni element je pritrjen na stator motorja in se sproži ob prehodu pola. Ta princip se lahko uporabi za izdelavo števca vrtljajev ali merilnika hitrosti.

Naprave, ki temeljijo na Hallovem učinku, se uporabljajo v prenosnih računalnikih ali mobilnih napravah - kot indikator zaprtega položaja pokrova. Ko se senzor sproži, računalnik preide v stanje spanja ali se izklopi.In v pametnih telefonih je ena od funkcij senzorja, ki reagira na zemeljsko magnetno polje, organiziranje delovanja elektronskega kompasa.

Analogni Hallovi senzorji se uporabljajo v merilnih instrumentih, kjer je potrebno oceniti nivo magnetnega polja. Nepogrešljivi so pri brezkontaktnem merjenju toka v prevodniku. Kot veste, ko tok teče skozi prevodnik, okoli njega nastane magnetno polje. Njegova intenzivnost je odvisna od jakosti toka. Če je tok izmenični, lahko polje merimo tudi drugače (npr. tokovni transformator), pri enosmernem toku pa brez Hallovega senzorja ne gre. To je princip, po katerem delujejo enosmerne tokovne klešče.

Najbolj eksotična uporaba Hallovega učinka je izdelava ionskih raketnih motorjev, ki temeljijo na njegovem principu.

Kako preizkusiti pravilno delovanje Hallovega senzorja

Za testiranje senzorja lahko sestavite preprosto vezje, za katerega boste poleg samega senzorja potrebovali:

• Napajalnik z ustrezno napetostjo;
• upor upornost približno 1 kOhm;
• LED;
• magnet.

Če LED ni, lahko namesto tega uporabite multimeter (in upor za omejevanje toka). multimeter (digitalni ali kazalec) v načinu merjenja napetosti.

Za napajanje ni posebnih zahtev - tokovi v tokokrogu so precej majhni. Njegova napetost mora biti znotraj napajalne napetosti testiranega senzorja. LED je z anodo priključen na plus vira napetosti, s katodo na izhod testirane naprave, ker je senzor običajno izdelan z odprtim kolektorjem (vendar je bolje preveriti s podatkovnim listom).

Testni postopek je odvisen od vrste testirane naprave.

1. Če želite preizkusiti unipolarni digitalni senzor, morate k senzorju prinesti magnet z enim polom.LED mora zasvetiti (puščica voltmetra se mora odkloniti ali pa se mora odčitek digitalnega testerja skokovito spreminjati). Ko se magnet odstrani na precejšnji razdalji, se mora vezje vrniti v prvotni položaj. Če senzor ne deluje, obrnite magnet z drugim polom in ponovite postopek. Če lučka LED utripa, je senzor v redu. Če v nobenem položaju magneta ni uspeha, je naprava neprimerna za delovanje.
2. Bipolarni digitalni senzor testiramo na podoben način, le LED dioda zasveti na enem položaju magneta in ne ugasne, ko odstranimo vir magnetnega polja. Vezje se ne sme odzivati ​​na nadaljnje manipulacije z istim polom. Če obrnete magnet in ga prinesete k senzorju v nasprotni polarnosti, bi morala LED ugasniti. To pomeni, da testirana naprava deluje pravilno. Če vezje ne deluje pravilno, je senzor v okvari.
3. Omnipolarni digitalni Hallov senzor se testira na enak način kot unipolarni senzor, vendar se mora naprava, občutljiva na magnet, aktivirati v katerem koli položaju magneta.

Analogni senzorji se testirajo z enako tehniko kot digitalni senzorji, vendar se izhodna napetost ne sme spreminjati skokovito, ampak gladko, ko se magnetna sila povečuje (npr. približevanje trajnemu magnetu ali naraščanje toka v tuljavi elektromagneta).

S praktične strani je zanimivo, kako preveriti Hallov senzor, nameščen v brezkontaktnem sistemu za vžig avtomobila. Če želite to narediti, morate odstraniti konektor s senzorja in sestaviti zgornje vezje neposredno na nožice.

Tudi tu lahko LED diodo zamenjate z multimetrom. Z ročnim vrtenjem ročične gredi avtomobila lahko opazujete občasno utripanje LED ali spremembe izhodne napetosti od nič do približno napetosti v vozilu.Alternativni način preverjanja v garažnih pogojih je začasna zamenjava naprave z znano okvarjenim rezervnim senzorjem.

Hallov senzor je našel široko uporabo v domačih in industrijskih aplikacijah. Ni težko preveriti, če razumete, kako deluje.

Povezani članki: