Co je Hallův senzor: princip činnosti, zařízení a metody testování výkonu

Senzory - převodníky jedné fyzikální veličiny na jinou (obvykle na elektrickou) jsou široce používány v domácích a průmyslových zařízeních. Bez nich je velmi obtížné, ne-li nemožné, měřit, digitalizovat a zpracovávat takové technologické parametry, jako je tlak a průtok (plyn nebo kapalina), teplota, hladina, síla magnetického nebo elektrického pole atd. Jedním z nejpoužívanějších senzorů je Hallův senzor - používají se jak v každodenním životě (počínaje chytrými telefony nebo notebooky), tak v nejsložitější průmyslové technice.

Hallův jev - princip činnosti

Tento efekt objevil v roce 1879 americký fyzik Edwin Hall a pojmenoval jej po něm.Podstata jevu spočívá v tom, že pokud vezmete kovovou desku a propustíte jí elektrický proud (ve směru AB na obrázku) a poté na desku působíte magnetickým polem, například vytvořeným permanentním magnetem, pak ve směru kolmém na průchod proudu (CD na obrázku ), bude rozdíl potenciálů.

K tomuto efektu dochází díky Lorentzově síle působící na pohybující se náboje a jejich přemísťování ve směru kolmém ke směru pohybu. V důsledku toho vzniká na okrajích desky potenciálový rozdíl, který lze měřit nebo použít ke spouštění aktuátorů (předzesilování). Tento rozdíl závisí na:

• od síly protékajícího proudu;
• ze síly magnetického pole;
• na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči.

Jev je pojmenován po svém objeviteli – Hallův jev.

Typy a uspořádání Hallových snímačů

Efekt objevený již v předminulém století našel praktické uplatnění. Na jeho základě jsou postaveny senzory magnetického pole. Jejich výhodou je, že nemají pohyblivé a třecí prvky (na rozdíl od jazýčkových spínačů), takže jejich spolehlivost je mnohem vyšší. Podle principu citlivosti průmyslové senzory Haly se dělí na:

• unipolární (reagují pouze na jeden magnetický pól – severní nebo jižní);
• bipolární (zapnout při vystavení magnetickému poli jedné polarity, vypnout při vystavení magnetickému poli opačné polarity);
• omnipolární - reagují na libovolné póly magnetů.

Potenciální rozdíl vzniklý působením magnetického pole na pohybující se náboje je jednotek, v lepším případě desítek mikrovoltů. Pro praktickou aplikaci to nestačí, je třeba zvýšit potenciálový rozdíl. Tyto zesilovače jsou zabudovány přímo do těla snímačů a podle typu zesilovače se přístroje dělí do dvou tříd.

1. Analogový. V nich je napětí na výstupu snímače úměrné magnetickému poli (závisí na síle magnetu a vzdálenosti od něj). Jsou postaveny na bázi operačního zesilovače a používají se k měření magnetických polí.
2. Digitální. Po instalaci zesilovače srovnávač nebo Schmittova spoušť. Výstupní napětí, když magnetická indukce dosáhne určité prahové hodnoty, vyskočí z nuly na vysokou úroveň (obvykle na úroveň napájecího napětí). Takové senzory se používají ke konstrukci magnetických relé nebo generátorů impulsů. Zesílený signál z desky je aplikován na prahové zařízení. Po dosažení nastavené úrovně se senzor spustí. Úroveň spouštění lze upravit změnou vzdálenosti od snímače ke zdroji magnetického pole.

Aplikace Hallových senzorů

Nejběžnější aplikací Hallova senzoru v každodenním životě jsou bezkontaktní zapalovací systémy automobilů. Jejich výhodou je absence mechanických kontaktních skupin. To znamená žádné opotřebení, žádné spálení kontaktů, žádné riziko mechanického selhání.

Součástí rozvodu je deska s lištami poháněná klikovou hřídelí motoru, permanentní magnet a samotný Hallův snímač. Když se deska otáčí, výstupky v přesně definovaném okamžiku, určeném polohou klikového hřídele, spadají do mezery mezi snímačem a magnetem a mění parametry magnetického pole.Snímač generuje impulsy synchronizované s otáčením klikového hřídele, které regulují přívod napětí do vysokonapěťové cívky v požadovaných časových bodech. Také snímače magnetického pole v autě se používají k rozpoznání polohy klikového hřídele.

Dalším využitím magneticky citlivých senzorů je zjišťování polohy rotorů elektromotorů. Reléový prvek je namontován na statoru motoru a je aktivován při průchodu pólu. Na tomto principu si můžete postavit otáčkoměr nebo rychloměr.

Zařízení postavená na Hallově jevu se používají v notebookech nebo mobilních zařízeních - jako indikátor zavřené polohy víka. Po aktivaci senzoru počítač přejde do režimu spánku nebo se vypne. A v chytrých telefonech je jednou z funkcí senzoru, který reaguje na magnetické pole Země, organizace elektronického kompasu.

Analogové Hallovy snímače se používají v měřicích přístrojích - tam, kde je potřeba posoudit úroveň magnetického pole. Jsou nepostradatelné pro bezkontaktní měření síly proudu ve vodiči. Jak víte, když proud prochází vodičem, kolem něj vzniká magnetické pole. Jeho intenzita závisí na síle proudu. Pokud je proud střídavý, pak lze pole měřit i jinak (například proudovým transformátorem), ale u stejnosměrného proudu je Hallův senzor nepostradatelný. Na tomto principu fungují stejnosměrné proudové kleště.

Nejexotičtější aplikací Hallova jevu je konstrukce iontových raketových motorů na jeho principu.

Jak zkontrolovat výkon Hallova senzoru

Pro kontrolu senzoru můžete sestavit jednoduchý obvod, pro který budete kromě samotného senzoru potřebovat:

• napájení pro požadované napětí;
• odpor s odporem asi 1 kOhm;
• Světelná dioda;
• magnet.

Pokud tam není žádná LED, pak místo ní (a rezistoru omezujícího proud) můžete použijte multimetr (digitální nebo ukazatel) v režimu měření napětí.

Neexistují žádné zvláštní požadavky na napájení - proudy v obvodu jsou velmi malé. Jeho napětí musí být v rozmezí napájecího napětí testovaného snímače. LED je připojena anodou na plus zdroje napětí, katoda na výstup testovaného zařízení, protože snímač je obvykle vyroben s otevřeným kolektorem (ale je lepší si to ověřit v datovém listu).

Postup testu závisí na typu testovaného zařízení.

1. Chcete-li otestovat unipolární digitální snímač, musíte k němu přivést magnet s jedním pólem. LED by se měla rozsvítit (šipka ukazatele voltmetru se odchyluje nebo se hodnoty digitálního testeru náhle změní). Když je magnet odstraněn na značnou vzdálenost, obvod by se měl vrátit do své původní polohy. Pokud snímač nefunguje, je nutné magnet otočit druhým pólem a postup opakovat. Pokud LED bliká, senzor funguje. Pokud nebylo dosaženo úspěchu v žádné poloze magnetu, je zařízení nepoužitelné.
2. Bipolární digitální senzor je testován pomocí podobné techniky, pouze LED svítí na jedné pozici magnetu a nezhasne, když je zdroj magnetického pole odstraněn. Obvod by neměl reagovat na další manipulace se stejným pólem. Pokud magnet otočíte a přivedete k senzoru v opačné polaritě, LED by měla zhasnout. To indikuje stav testovaného zařízení.Pokud obvod nefunguje, pak je snímač mimo provoz.
3. Všepolární digitální Hallův senzor se testuje stejným způsobem jako unipolární, ale magneticky citlivé zařízení by mělo fungovat v jakékoli poloze magnetu.

Analogové snímače se kontrolují stejným způsobem jako digitální, ale výstupní napětí by se nemělo měnit prudce, ale plynule s nárůstem magnetické síly (například přiblížení permanentního magnetu nebo zvýšení proudu ve vinutí elektromagnetu).

Z praktického hlediska je zajímavá otázka, jak zkontrolovat Hallův senzor nainstalovaný v bezkontaktním zapalovacím systému automobilu. Chcete-li to provést, vyjměte konektor ze snímače a sestavte uvedený obvod přímo na kolíky.

Zde můžete také vyměnit LED za multimetr. Ručním otáčením klikového hřídele automobilu můžete pozorovat periodické blikání LED nebo změny výstupního napětí z nuly na přibližně napětí elektrického systému automobilu. Alternativní způsob kontroly v garáži je dočasně vyměnit zařízení za náhradní snímač, o kterém je známo, že je dobrý.

Hallův senzor našel široké uplatnění v domácích a průmyslových zařízeních. Není těžké jej zkontrolovat z hlediska provozuschopnosti, pokud rozumíte principu jeho fungování.

Podobné články: