Vad är en hallsensor: funktionsprincip, konstruktion och testmetoder

Sensorer är omvandlare av en fysisk kvantitet till en annan (vanligtvis en elektrisk kvantitet) och används ofta i hushålls- och industriapparater. Utan dem är det mycket svårt, om inte omöjligt, att mäta, digitalisera och bearbeta processparametrar som tryck och flöde (av gas eller vätska), temperaturtryck, nivå, styrka av magnetiska eller elektriska fält osv. En av de mest utbredda sensorerna är hallsensorn - den används både i hushållsapplikationer (från smartphones och bärbara datorer) och i den mest sofistikerade industriella utrustningen.

Hall-effekten - funktionsprincipen

Effekten upptäcktes 1879 av den amerikanske fysikern Edwin Hall och är uppkallad efter honom. Fenomenet går ut på att om man tar en metallplatta och låter en elektrisk ström passera genom den (i riktning AB i figuren) och sedan påverkar plattan med ett magnetfält, t.ex. det som skapas av en permanentmagnet, uppstår en potentialskillnad i den riktning som är vinkelrät mot strömmen (CD i figuren).

Denna effekt beror på Lorentzkraften som verkar på de rörliga laddningarna och förskjuter dem i en riktning vinkelrätt mot rörelseriktningen. Detta resulterar i en potentialskillnad vid plattans kanter, som kan mätas eller användas för att aktivera ställdon (genom förstärkning). Denna skillnad beror på:

• styrkan hos den ström som flyter;
• den magnetiska fältstyrkan;
• koncentrationen av fria laddningsbärare i ledaren.

Fenomenet är uppkallat efter sin upptäckare - Hall-effekten.

Typer och konstruktion av hallsensorer

Denna effekt, som upptäcktes för ett sekel sedan, har fått en praktisk tillämpning. Den utgör grunden för magnetfältssensorer. Deras fördel är att de inte har några rörliga eller gnidande element (till skillnad från reedbrytare), vilket gör att deras tillförlitlighet är mycket högre. Enligt deras känslighetsprincip industriella sensorer Hallsensorer är indelade i:

• Unipolär (reagerar bara på en magnetisk pol - nord eller syd);
• Bipolär (aktiveras av ett magnetfält med samma polaritet och avaktiveras av ett magnetfält med motsatt polaritet);
• omnipolär - svarar på båda polerna av en magnet.

Den potentialskillnad som skapas av ett magnetfält som verkar på rörliga laddningar är bara några enheter, i bästa fall tiotals mikrovolt. Detta är inte tillräckligt för praktiska tillämpningar, utan potentialskillnaden måste förstärkas. Dessa förstärkare är inbyggda direkt i sensorhuset, och enheterna är indelade i två klasser beroende på typ av förstärkare.

1. Analogt. Spänningen vid sensorns utgång är proportionell mot magnetfältet (den beror på magnetens styrka och avstånd). De är baserade på operationsförstärkare och kan användas för att mäta magnetfält.
2. Digitalt. Efter förstärkaren är det komparator eller en Schmitt-trigger. Utgångsspänningen hoppar från noll till en hög nivå (vanligtvis till matningsspänningsnivån) när den magnetiska induktionen når en viss tröskel. Dessa sensorer används för att bygga magnetiska reläer eller pulsgeneratorer. Den förstärkta signalen från plattan matas till tröskelanordningen. När den inställda nivån uppnås utlöses sensorn. Svarsnivån kan justeras genom att ändra avståndet från sensorn till magnetfältskällan.

Tillämpningar för hallsensorer

Den vanligaste tillämpningen för Hallsensorer i hemmet är kontaktlösa tändsystem för fordon. De har fördelen att det inte finns några mekaniska kontaktgrupper. Detta innebär att det inte förekommer något slitage, inga brännskador på kontakterna och ingen risk för mekanisk skada.

Fördelningssystemet innehåller en platta med utskjutande delar som drivs av motorns vevaxel, en permanentmagnet och själva Hallsensorn. När plattan roterar träffar projektionerna spalten mellan sensorn och magneten vid ett exakt definierat tillfälle, som bestäms av vevaxelns position, och ändrar magnetfältet. Sensorn genererar pulser som är synkroniserade med vevaxelns rotation och som reglerar spänningen till högspänningsspolen vid de nödvändiga tillfällena. Magnetfältssensorer i fordonet används också för att upptäcka vevaxelns position.

Ett annat användningsområde för magnetiskt känsliga sensorer är att upptäcka positionen för elektriska motorrotorer. Reläelementet är kopplat till motorns stator och utlöses när polen passerar. Denna princip kan användas för att bygga en hastighetsräknare eller en hastighetsmätare.

Enheter baserade på Hall-effekten används i bärbara datorer eller mobila enheter - som en indikator på att locket är stängt. När sensorn utlöses går datorn i vila eller stängs av. I smartphones är en av funktionerna hos en sensor som reagerar på jordens magnetfält att organisera funktionen hos en elektronisk kompass.

Analoga hallsensorer används i mätinstrument där det är nödvändigt att utvärdera magnetfältet. De är oumbärliga för beröringsfria mätningar av strömflödet i en ledare. Som du vet skapas ett magnetfält runt en ledare när strömmen flyter genom den. Dess styrka beror på hur stark strömmen är. Om strömmen är växelström kan fältet mätas på annat sätt (t.ex. med en strömtransformator), men vid likström är en Hallsensor nödvändig. Detta är den princip som likströmsfästen fungerar enligt.

Den mest exotiska tillämpningen av Hall-effekten är byggandet av jonraketer som bygger på dess princip.

Hur man testar en hallsensor

För att testa sensorn kan du sätta ihop en enkel krets, som förutom själva sensorn kräver följande

• Ett nätaggregat med rätt spänning;
• ett motstånd motstånd på cirka 1 kΩ;
• LED;
• magnet.

Om ingen lysdiod finns tillgänglig kan en multimeter användas i stället (och ett strömbegränsningsmotstånd). multimeter (digital eller multifunktionsmätare) i spänningsmätningsläge.

Det finns inga särskilda krav på strömförsörjningen - strömmarna i kretsen är ganska små. Spänningen måste ligga inom matningsspänningen för den sensor som testas. Anslut lysdioden med sin anod till spänningskällans plussida, med sin katod till utgången av den enhet som testas, eftersom sensorn vanligtvis är tillverkad med en öppen kollektor (men det är bättre att kontrollera i databladet).

Provningsförfarandet beror på vilken typ av anordning som provas.

1. För att testa en enpolig digital sensor håller du en magnet med ena polen mot sensorn. Lysdioden ska lysa (pilen på voltmetern ska avvika eller avläsningen på den digitala testaren ska förändras med stormsteg). Kretsen bör återgå till sitt ursprungliga läge när magneten avlägsnas på ett stort avstånd. Om sensorn inte fungerar, vänd magneten åt andra hållet och upprepa proceduren. Om lysdioden blinkar fungerar sensorn. Om det inte lyckas i något av magnetens lägen är anordningen olämplig att använda.
2. Den bipolära digitala sensorn testas med en liknande metod, men lysdioden tänds vid ett magnetläge och släcks inte när magnetfältskällan tas bort. Kretsen bör inte reagera på ytterligare manipulering med samma pol. Om du vänder på magneten och för den till sensorn med motsatt polaritet bör lysdioden slockna. Detta indikerar att den enhet som testas fungerar korrekt. Om kretsen inte fungerar är sensorn felaktig.
3. En omnipolär digital Hallsensor testas på samma sätt som en unipolär sensor, men den magnetkänsliga enheten ska utlösas vid alla magnetpositioner.

Analoga sensorer testas med samma metodik som digitala sensorer, men utgångsspänningen ska inte ändras plötsligt utan jämnt när den magnetiska kraften ökar (t.ex. när man närmar sig en permanentmagnet eller ökar strömmen i elektromagnetlindningen).

På den praktiska sidan är en intressant fråga hur man kontrollerar Hallsensorn som är installerad i en bils kontaktlösa tändsystem. För att göra detta tar du bort kontakten från sensorn och monterar den angivna kretsen direkt på stiften.

Även här kan lysdioden ersättas med en multimeter. Genom att vrida bilens vevaxel manuellt kan du observera intermittenta LED-blixtar eller förändringar i utgångsspänningen från noll till ungefär bilens ombordspänning. Ett alternativt sätt att kontrollera i garaget är att tillfälligt byta ut enheten mot en sensor som man vet är bra.

Hallsensorn har fått en utbredd användning i hushålls- och industriella tillämpningar. Det är inte svårt att kontrollera om det finns fel om du har en förståelse för hur det fungerar.

Relaterade artiklar: