Jak funguje Hallův senzor a jaký je princip jeho činnosti?

Magnetický tlak (1) v tomto pneumatickém válci způsobí, že senzory Hallova efektu (2 a 3) namontované na jeho vnější stěně budou fungovat, když je plně zatažen nebo vysunut.

Motorový ventilátor s Hallovým senzorem

Symbolické grafické označení Hallova snímače na schématech v souladu s GOST 2.730 a IEC 60617.

Senzor Hallova jevu (nebo jednoduše Hallův senzor) je měřicí převodník pro měření velikosti magnetického pole. Princip činnosti snímače je založen na Hallově jevu a jeho počáteční napětí je přímo úměrné intenzitě magnetického pole [1]. Tento jev objevil americký fyzik Edwin Hall v roce 1879.

Hallovy senzory se používají pro bezkontaktní snímání, polohování, detekci rychlosti a proudovou detekci [2].

Hallův senzor je často kombinován s prahovou detekcí a funguje jako spínač a nazývá se Hallův spínač. Běžně se vyskytují v průmyslových aplikacích, jako je zobrazený pneumatický válec, ale také se používají ve spotřebním vybavení. Některé počítačové tiskárny je například používají k detekci chybějících útržků papíru a otevření krytů. Mohou být také použity v počítačových klávesnicích, kde je vyžadována ultra vysoká spolehlivost. Další použití senzoru Hall efektu je vytvořit MIDI varhanní pedálové klaviatury, kde pohyb „klávesy“ na pedálové desce je překládán jako vypínač Hallovými efektovými senzory.

Hallovy snímače se běžně používají k měření rychlosti otáčení kol a hřídelí, například k časování zapalování spalovacích motorů, tachometrů a protiblokovacích brzdových systémů. Používají se ve stejnosměrných motorech k detekci polohy permanentního magnetu. Na vyobrazeném kole se dvěma stejně rozmístěnými magnety dosahuje napětí ze snímače dvojnásobek svého maxima pro každou otáčku. Tento obvod se obvykle používá k regulaci rychlosti diskových jednotek.

Aplikace [ upravit | upravit kód]

Hallovy senzory se často používají jako magnetometry, to znamená pro měření magnetických polí nebo testování materiálů (jako jsou trubky nebo potrubí) pomocí principů úniku magnetického toku.

Zařízení s Hallovým efektem produkují velmi nízké úrovně signálu, a proto vyžadují zesílení. Přestože elektronkové zesilovače z první poloviny 20. století byly vhodné pro laboratorní aplikace, byly příliš drahé, energeticky náročné a nespolehlivé pro každodenní použití. Teprve s vývojem levného integrovaného obvodu se snímač Hallova jevu stal vhodným pro masové použití. Mnoho zařízení nyní prodávaných jako snímače s Hallovým efektem ve skutečnosti obsahuje jak výše popsaný snímač, tak zesilovač s integrovaným obvodem (IC) s vysokým ziskem v jediném balení. Nedávné pokroky umožnily přidat analogově-digitální převodník a I²C (inter-integrated circuit communication protocol) v jednom balení pro přímé připojení k I/O portu mikrokontroléru.

Výhody oproti jiným metodám [upravit | upravit kód]

Zařízení s Hallovým efektem (pokud jsou správně zabalena) jsou nepropustná pro prach, nečistoty a vodu. Díky těmto vlastnostem jsou zařízení s Hallovým efektem lepší pro určování polohy než alternativní prostředky, jako jsou optická a elektromechanická měření.

Hallův snímač proudu s interním zesilovačem integrovaného obvodu. Otvor 8 mm. Výstupní napětí při nulovém proudu je uprostřed mezi napájecími napětími, která podporují rozdíl 4 až 8 voltů. Odezva na nenulový proud je úměrná použitému napětí a je lineární až do 60 ampér pro toto konkrétní zařízení (25 A).

Při průchodu elektronů vodičem vzniká magnetické pole. Tak je možné vytvořit bezkontaktní proudový snímač. Zařízení má tři svorky. Napětí snímače je přivedeno na dvě svorky a třetí poskytuje napětí úměrné měřenému proudu. To má několik výhod: žádný další odpor (bočníkpotřebný pro nejběžnější metodu měření proudu) není vyžadován v primárním okruhu. Kromě toho se napětí v měřeném vedení nepřenáší do snímače, což zvyšuje bezpečnost měřicího zařízení.

Nevýhody oproti jiným metodám [ editovat | upravit kód]

Magnetický tok z okolního prostředí (jako jsou jiné vodiče) může snížit nebo zvýšit pole, které snímač Hallova jevu zamýšlí měřit, čímž jsou výsledky nepřesné.

Metody pro měření mechanických poloh v elektromagnetickém systému, jako je bezkomutátorový stejnosměrný motor, zahrnují (1) Hallův jev, (2) optický snímač polohy (jako jsou absolutní a inkrementální kodéry) a (3) indukované napětí pohybem kovového jádra. vložen do transformátoru. Při porovnání Hallova jevu s fotosenzitivními metodami je obtížnější získat absolutní hodnotu s Hallem. Hallova měření jsou také citlivá na rozptylová magnetická pole.

Moderní aplikace [upravit | upravit kód]

Senzory Hallova efektu jsou dostupné od mnoha různých výrobců a lze je použít v různých senzorech, jako jsou senzory rychlosti otáčení (kola jízdních kol, ozubení, rychloměry automobilů, elektronické zapalovací systémy), senzory průtoku kapalin, proudové senzory a tlakové senzory. . Běžné aplikace se často nacházejí tam, kde je vyžadován odolný a bezkontaktní spínač nebo potenciometr. Patří mezi ně: elektrické airsoftové zbraně, elektropneumatické spouštěče paintballových zbraní, ovladače rychlosti motokár, chytré telefony a některé globální polohovací systémy.

Proudový měnič s feritovým toroidem založený na Hallově jevu [editovat | upravit kód]

Schéma proudového měniče s Hallovým efektem zabudovaného do feritového prstence.

Hallovy senzory dokážou snadno detekovat rozptýlená magnetická pole, včetně magnetických polí Země, a proto dobře fungují jako elektronické kompasy: to ale také znamená, že takováto rozptylová pole mohou rušit přesná měření malých magnetických polí. K vyřešení tohoto problému jsou Hallovy senzory často integrovány s nějakým druhem magnetického štítu. Například Hallův senzor integrovaný do feritového prstence (jak je znázorněno) může snížit detekci rozptylových polí o faktor 100 nebo lepší (protože vnější magnetická pole se v prstenci ruší a nevytvářejí žádný zbytkový magnetický tok). Tato konfigurace také poskytuje více než 20násobné zlepšení poměru signálu k šumu a driftových efektů ve srovnání s nepotaženým Hallovým zařízením.

Dosah tohoto průchozího snímače lze rozšířit nahoru a dolů pomocí vhodné kabeláže. Pro rozšíření rozsahu na nižší proudy lze otvorem provést několik závitů vodiče pod napětím, přičemž každé otočení přidá stejnou hodnotu k výstupu snímače; Při instalaci snímače na desku s plošnými spoji lze otáčení provádět pomocí držáků na desce. Pro rozšíření dosahu na vyšší proudy lze použít proudový dělič. Dělič rozděluje proud na dva vodiče různé šířky a tenčí vodič, který vede méně z celkového proudu, prochází senzorem.

Vícenásobné otáčky a odpovídající přenosová funkce.

Senzor s děleným kroužkem [ upravit | upravit kód]

Kruhový Hallův snímač se používá v proudových klešťových měřičích. Měřicí zařízení je upevněno na lince, což umožňuje použití zařízení ve zkušebním zařízení. Při použití v trvalé instalaci umožňuje tato metoda kontrolu elektrického proudu bez demontáže stávajícího obvodu.

Analogové násobení [upravit | upravit kód]

Výstupní signál je úměrný použitému magnetickému poli a použitému napětí snímače. Je-li magnetické pole aplikováno solenoidem, je výstup snímače úměrný součinu proudu procházejícího elektromagnetem a napětí snímače. Protože většinu počítačových aplikací nyní provádějí malé digitální počítače, zbývající užitečnou aplikací je měření výkonu v jediném zařízení s Hallovým efektem, které kombinuje měření proudu s měřením napětí.

Měření výkonu[upravit | upravit kód]

Měřením proudu dodávaného do zátěže a použitím napětí přivedeného na zařízení lze určit výkon rozptýlený zařízením.

Určení polohy a pohybu [ upravit | upravit kód]

Zařízení s Hallovým efektem používaná v pohybových senzorech a spínače omezení pohybu, může poskytnout zvýšenou spolehlivost v extrémních podmínkách. Protože uvnitř senzoru nebo magnetu nejsou žádné pohyblivé části, je typická životnost delší ve srovnání s tradičními elektromechanickými spínači. Kromě toho mohou být snímač a magnet uzavřeny ve vhodném ochranném materiálu. Tato aplikace se používá ve stejnosměrném motoru.

Senzory s Hallovým efektem, připojené k mechanickým senzorům, které mají magnetizované jehly indikátoru, mohou převádět fyzickou polohu nebo orientaci jehly mechanického indikátoru na elektrický signál, který mohou používat elektronické indikátory, ovládací prvky nebo komunikační zařízení [3].

Automobilové zapalování a vstřikování paliva [editovat | upravit kód]

Běžně se používá v distributorech k určení časování zapalování a v některých typech snímačů polohy klikového hřídele a vačkového hřídele k určení časování vstřikovacího impulsu, měření rychlosti a tak dále. Senzor Hallova jevu se používá jako přímá náhrada za mechanické body přerušení používané v dřívějších automobilových aplikacích. Jeho použití jako zařízení pro seřizování časování zapalování v různých typech rozdělovačů je následující. Stacionární permanentní magnet a polovodičový čip s Hallovým jevem jsou namontovány vedle sebe a odděleny vzduchovou mezerou, aby vytvořily snímač Hallova jevu. Kovový rotor sestávající z okének a výstupků je namontován na hřídeli a je umístěn tak, že při otáčení hřídele okénka a výstupky procházejí vzduchovou mezerou mezi permanentním magnetem a Hallovým polovodičovým krystalem. To účinně stíní a vystavuje Hallův čip poli permanentního magnetu v závislosti na tom, zda Hallovým senzorem prochází jazýček nebo okno. Pro určení časování zapalování bude mít kovový rotor řadu výstupků a okének stejné velikosti, odpovídající počtu válců motoru. To poskytuje jednotný obdélníkový výstup, protože časy zapnutí a vypnutí (stínění a expozice) jsou stejné. Tento signál používá počítač motoru nebo ECU k řízení časování zapalování. Mnoho automobilových snímačů s Hallovým jevem má vestavěný interní tranzistor NPN s otevřeným kolektorem a uzemněným emitorem, což znamená, že místo napětí přiváděného na signálový výstupní vodič snímače Hallova jevu je tranzistor zapnutý a poskytuje obvod pro uzemnění přes signálový výstupní vodič.

Určení rychlosti kola [upravit | upravit kód]

Důležitou aplikací Hallova senzoru jsou protiblokovací brzdové systémy. Funkční principy těchto systémů byly rozšířeny a zdokonaleny tak, aby nabízely více možností než protiskluzová funkce. Nyní poskytují vylepšená vylepšení ovládání vozidla.

Ovládání elektromotoru [ upravit | upravit kód]

Některé typy stejnosměrných motorů využívají k detekci polohy rotoru snímače Hallova jevu a k přenosu těchto informací do ovladače motoru. To zlepšuje přesnost ovládání motoru.

Průmyslové aplikace [ upravit | upravit kód]

Aplikace měření Hallova jevu se rozšířily také do průmyslových aplikací, které nyní využívají k ovládání hydraulických ventilů joysticky s Hallovým efektem, které nahrazují tradiční mechanické páky bezkontaktním snímačem. Mezi takové aplikace patří důlní vozíky, rypadlo-nakladače, jeřáby, rypadlo, nůžkové zvedací plošiny a tak dále.

Poznámky [upravit | upravit kód]

1. ↑(nespecifikováno) . Datum léčby: 23. června 2022.Archivováno z originálu 12. dubna 2022.
2. ↑Ramsden, Edward.Senzory s Hallovým jevem: teorie a aplikace. — 2, vyobrazeno. – Elsevier, 2006. – ISBN 978-0-7506-7934-3. Archivovaná kopie z 19. dubna 2021 na Wayback Machine
3. ↑Tank Sensors & Probes Archived 18. března 2019 on Wayback Machine, Electronic Sensors, Inc., staženo 8. srpna 2018

Literatura [upravit | upravit kód]

• Baumgartner, A.; Ihn, T.; Enslin, K.; Papp, G.; Peeters, F.; Maranowski, K.; Gossard, A. C. (2006). „Klasický Hallův efekt v experimentech se skenovací bránou.“ Phys. Rev. B. 74: 165426. Bibcode:2006PhRvB..74p5426B. DOI:10.1103/PhysRevB.74.165426.