Kaj je Hallov senzor: načelo delovanja, naprava in metode testiranja zmogljivosti

Senzorji - pretvorniki ene fizične količine v drugo (običajno v električne) se pogosto uporabljajo v gospodinjski in industrijski opremi. Brez njih je zelo težko, če ne celo nemogoče izmeriti, digitalizirati in obdelati takšne tehnološke parametre, kot sta tlak in pretok (plin ali tekočina), temperaturo, nivo, moč magnetnega ali električnega polja itd. Eden najpogosteje uporabljenih senzorjev je senzor Hall - uporabljajo se tako v vsakdanjem življenju (začenši s pametnimi telefoni ali prenosniki) kot v najbolj zapleteni industrijski tehnologiji.

Hallov učinek - princip delovanja

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

Ta učinek nastane zaradi Lorentzove sile, ki deluje na gibajoče se naboje in jih premakne v smeri, pravokotni na smer gibanja. Posledično na robovih plošče nastane potencialna razlika, ki jo je mogoče izmeriti ali uporabiti za proženje aktuatorjev (predojačenje). Ta razlika je odvisna od:

• od moči tekočega toka;
• od jakosti magnetnega polja;
• o koncentraciji prostih nosilcev naboja v prevodniku.

Fenomen je poimenovan po svojem odkritju - Hallovem učinku.

Vrste in razporeditev Hall senzorjev

Učinek, odkrit že pred prejšnjim stoletjem, je našel praktično uporabo. Na podlagi nje so izdelani senzorji magnetnega polja. Njihova prednost je, da nimajo premikajočih se in drgnih elementov (za razliko od reed stikal), zato je njihova zanesljivost veliko večja. Po principu občutljivosti industrijski senzorji Dvorane so razdeljene na:

• unipolarni (reagirajo samo na en magnetni pol - severni ali južni);
• bipolarni (vklopi se, ko je izpostavljen magnetnemu polju ene polarnosti, izklopi, ko je izpostavljen magnetnemu polju nasprotne polarnosti);
• omnipolarni - reagirajo na vse pole magnetov.

Potencialna razlika, ki nastane zaradi delovanja magnetnega polja na gibljive naboje, je enote, v najboljšem primeru desetine mikrovoltov. Za praktično uporabo to ni dovolj, povečati je treba potencialno razliko. Ti ojačevalniki so vgrajeni neposredno v telo senzorjev, glede na vrsto ojačevalnika pa so naprave razdeljene v dva razreda.

1. Analogni. V njih je napetost na izhodu senzorja sorazmerna z magnetnim poljem (odvisna je od moči magneta in oddaljenosti od njega). Zgrajeni na osnovi operacijskega ojačevalnika in se uporabljajo za merjenje magnetnih polj.
2. Digitalni. Po namestitvi ojačevalnika primerjalnik ali Schmittov sprožilec. Izhodna napetost, ko magnetna indukcija doseže določen prag, skoči iz nič na visoko raven (običajno na nivo napajalne napetosti). Takšni senzorji se uporabljajo za izdelavo magnetnih relejev ali generatorjev impulzov. Ojačani signal s plošče se prenese na mejno napravo. Ko je dosežena nastavljena raven, se senzor sproži. Nivo sprožilca je mogoče prilagoditi s spreminjanjem razdalje od senzorja do vira magnetnega polja.

Uporaba Hallovih senzorjev

Najpogostejša uporaba Hallovega senzorja v vsakdanjem življenju so brezkontaktni avtomobilski sistemi za vžig. Njihova prednost je odsotnost mehanskih kontaktnih skupin. To pomeni brez obrabe, brez gorenja kontaktov, brez nevarnosti mehanske okvare.

Porazdelitveni sistem vključuje ploščo z robovi, ki jih poganja ročična gred motorja, trajni magnet in sam Hall senzor. Ko se plošča vrti, izbokline v strogo določenem trenutku, določenem s položajem ročične gredi, padejo v režo med senzorjem in magnetom, s čimer se spremenijo parametri magnetnega polja.Senzor generira impulze, sinhronizirane z vrtenjem ročične gredi, ki uravnavajo dovod napetosti na visokonapetostno tuljavo v zahtevanih časovnih točkah. Tudi senzorji magnetnega polja v avtomobilu se uporabljajo za prepoznavanje položaja ročične gredi.

Druga uporaba magnetno občutljivih senzorjev je določanje položaja rotorjev elektromotorjev. Relejski element je nameščen na statorju motorja in se aktivira, ko pol mimo. Na tem principu lahko zgradite merilnik vrtljajev ali merilnik hitrosti.

Naprave, zgrajene 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 se odziva na zemeljsko magnetno polje, organizacija elektronskega kompasa.

Analogni Hallovi senzorji se uporabljajo v merilnih instrumentih - kjer je treba oceniti nivo magnetnega polja. So nepogrešljivi za brezkontaktno merjenje jakosti toka v prevodniku. Kot veste, ko tok teče skozi prevodnik, se okoli njega pojavi magnetno polje. Njegova intenzivnost je odvisna od moči toka. Če je tok izmeničen, lahko polje merimo na druge načine (na primer s tokovnim transformatorjem), pri enosmernem toku pa je Hallov senzor nepogrešljiv. Na tem principu delujejo enosmerne tokovne sponke.

Najbolj eksotična uporaba Hallovega učinka je konstrukcija ionskih raketnih motorjev po njegovem principu.

Kako preveriti delovanje Hallovega senzorja

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

• napajanje za želeno napetost;
• upor z uporom približno 1 kOhm;
• Svetleča dioda;
• magnet.

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

Za napajanje ni posebnih zahtev - tokovi v vezju so zelo majhni. Njegova napetost mora biti znotraj napajalne napetosti preskušanega senzorja. LED je povezana z anodo na plus vira napetosti, katodo na izhod testirane naprave, saj je senzor običajno izdelan z odprtim kolektorjem (vendar je bolje, da ga preverite na podatkovnem listu).

Postopek testiranja je odvisen od vrste preskušane naprave.

1. Za testiranje unipolarnega digitalnega senzorja morate nanj pripeljati magnet z enim polom. LED mora zasvetiti (puščica kazalnega voltmetra odstopa ali se odčitki digitalnega testerja nenadoma spremenijo). Ko je magnet odstranjen na precejšnjo razdaljo, se mora vezje vrniti v prvotni položaj. Če senzor ne deluje, je potrebno magnet obrniti z drugim polom in ponoviti postopek. Če LED utripa, senzor deluje. Če v nobenem položaju magneta ni bil dosežen uspeh, je naprava neuporabna.
2. Bipolarni digitalni senzor je testiran s podobno tehniko, le LED sveti na enem položaju magneta in ne ugasne, ko je vir magnetnega polja odstranjen. Vezje ne bi smelo reagirati na nadaljnje manipulacije z istim polom. Če magnet obrnete in ga pripeljete do senzorja v nasprotni polarnosti, se mora LED ugasniti. To kaže na zdravstveno stanje testirane naprave.Če vezje ne deluje, potem senzor ni v redu.
3. Omnipolarni digitalni Hall senzor se testira na enak način kot unipolarni, vendar mora magnetno občutljiva naprava delovati v katerem koli položaju magneta.

Analogni senzorji se preverjajo na enak način kot digitalni, vendar se izhodna napetost ne sme spreminjati nenadoma, ampak gladko, ko se magnetna sila poveča (na primer, približevanje trajnega magneta ali povečanje toka v navitju elektromagneta).

S praktičnega vidika je zanimivo vprašanje, kako preveriti Hallov senzor, nameščen v brezkontaktnem sistemu za vžig avtomobila. Če želite to narediti, odstranite konektor iz senzorja in sestavite označeno vezje neposredno na zatiče.

Tukaj lahko LED diodo zamenjate tudi z multimetrom. Če ročno obračate ročično gred avtomobila, lahko opazujete občasne utripe LED ali spremembe izhodne napetosti od nič do približno napetosti električnega sistema avtomobila. Alternativni način preverjanja v garaži je začasna zamenjava naprave z znano dobrim rezervnim senzorjem.

Hall senzor je našel široko uporabo v gospodinjstvu in industrijski opremi. Ni težko preveriti uporabnosti, če obstaja razumevanje načela njegovega delovanja.

Podobni članki: