Ce este un senzor Hall: principiul de funcționare, construcție și metode de testare

Senzorii sunt transmițători ai unei mărimi fizice în alta (de obicei o mărime electrică) și sunt utilizați pe scară largă în aparatele de uz casnic și industrial. Fără acestea, este foarte dificil, dacă nu imposibil, să se măsoare, să se digitalizeze și să se prelucreze parametrii de proces, cum ar fi presiunea și debitul (de gaz sau lichid), temperaturăpresiunea, nivelul, intensitatea câmpului magnetic sau electric etc. Unul dintre cei mai răspândiți senzori este senzorul Hall - acesta este utilizat atât în aplicațiile casnice (începând cu smartphone-urile sau laptopurile), cât și în cele mai complexe aplicații industriale.

Efectul Hall - principiul de funcționare

Efectul a fost descoperit în 1879 de către fizicianul american Edwin Hall și poartă numele acestuia. Esența fenomenului constă în faptul că, dacă se ia o placă metalică și se trece un curent electric prin ea (în direcția AB din figură) și apoi se acționează asupra plăcii cu un câmp magnetic, cum ar fi cel creat de un magnet permanent, va apărea o diferență de potențial în direcția perpendiculară la fluxul de curent (CD din figură).

Acest efect se datorează forței Lorentz care acționează asupra sarcinilor în mișcare și le deplasează într-o direcție perpendiculară pe direcția de mișcare. Acest lucru are ca rezultat o diferență de potențial la marginile plăcii, care poate fi măsurată sau utilizată pentru a acționa dispozitive de acționare (prin amplificare). Această diferență depinde de:

• intensitatea curentului care circulă;
• intensitatea câmpului magnetic;
• concentrația de purtători de sarcină liberi în conductor.

Fenomenul poartă numele descoperitorului său - efectul Hall.

Tipuri și construcție de senzori Hall

Acest efect, care a fost descoperit cu un secol înainte de secolul trecut, și-a găsit o aplicație practică. Este baza pentru senzorii de câmp magnetic. Avantajul lor este că nu au elemente mobile sau de frecare (spre deosebire de întrerupătoarele Reed), astfel încât fiabilitatea lor este mult mai mare. În conformitate cu principiul sensibilității lor senzori industriali Senzorii Hall sunt împărțiți în:

• unipolare (reacționează doar la un singur pol magnetic - nord sau sud);
• bipolare (activate de un câmp magnetic de aceeași polaritate, dezactivate de un câmp magnetic de polaritate opusă);
• omnipolar - răspunde la oricare dintre polii unui magnet.

Diferența de potențial creată de un câmp magnetic care acționează asupra sarcinilor în mișcare este de ordinul unităților, în cel mai bun caz de zeci de microvolți. Acest lucru nu este suficient pentru aplicațiile practice, diferența de potențial trebuie amplificată. Aceste amplificatoare sunt încorporate direct în carcasa senzorului, iar dispozitivele sunt împărțite în două clase în funcție de tipul de amplificator.

1. Analogic. Tensiunea la ieșirea senzorului este proporțională cu câmpul magnetic (depinde de puterea magnetului și de distanța acestuia). Acestea se bazează pe amplificatoare operaționale și pot fi utilizate pentru măsurarea câmpurilor magnetice.
2. Digital. După amplificatorul de comparator sau un declanșator Schmitt. Tensiunea de ieșire sare de la zero la un nivel ridicat (de obicei la nivelul tensiunii de alimentare) atunci când inducția magnetică atinge un anumit prag. Acești senzori sunt utilizați pentru a construi relee magnetice sau generatoare de impulsuri. Semnalul amplificat de pe placă este trimis la dispozitivul de prag. Atunci când se atinge nivelul setat, senzorul se declanșează. Nivelul de răspuns poate fi ajustat prin modificarea distanței dintre senzor și sursa de câmp magnetic.

Aplicații ale senzorului Hall

Cea mai frecventă aplicație pentru senzorii Hall în casă este în sistemele de aprindere fără contact pentru vehicule. Acestea au avantajul că nu există grupuri de contact mecanic. Acest lucru înseamnă că nu există uzură, nu se ard contactele și nu există riscul unei defecțiuni mecanice.

Sistemul de distribuție conține o placă cu proeminențe, antrenată în rotație de arborele cotit al motorului, un magnet permanent și senzorul Hall propriu-zis. Pe măsură ce placa se rotește, proiecțiile lovesc spațiul dintre senzor și magnet la un moment precis definit de poziția arborelui cotit, modificând câmpul magnetic. Senzorul generează impulsuri, sincronizate cu rotația arborelui cotit, care reglează tensiunea aplicată bobinei de înaltă tensiune în momentele necesare. Senzorii de câmp magnetic din vehicul sunt, de asemenea, utilizați pentru a detecta poziția arborelui cotit.

O altă utilizare a senzorilor cu sensibilitate magnetică este determinarea poziției rotorilor motoarelor electrice. Elementul de releu este atașat la statorul motorului și este declanșat la trecerea polului. Acest principiu poate fi folosit pentru a construi un contor de viteză sau un contor de viteză.

Dispozitivele bazate pe efectul Hall sunt utilizate în laptopuri sau dispozitive mobile - ca indicator al poziției închise a capacului. Atunci când senzorul este declanșat, computerul intră în stare de veghe sau se oprește. Iar în cazul smartphone-urilor, una dintre funcțiile unui senzor care reacționează la câmpul magnetic al Pământului este de a organiza funcționarea unei busole electronice.

Senzorii Hall analogici sunt utilizați în instrumentele de măsură, unde este necesară evaluarea câmpului magnetic. Acestea sunt indispensabile pentru măsurătorile fără contact ale fluxului de curent într-un conductor. După cum știți, atunci când curentul trece printr-un conductor, se generează un câmp magnetic în jurul acestuia. Puterea sa depinde de intensitatea curentului. În cazul în care curentul este alternativ, câmpul poate fi măsurat prin alte mijloace (de exemplu, un transformator de curent), dar în cazul curentului continuu este esențial un senzor Hall. Acesta este principiul pe baza căruia funcționează clemele de curent continuu.

Cea mai exotică aplicație a efectului Hall este construcția de motoare de rachete cu ioni bazate pe principiul său.

Cum se testează un senzor Hall

Pentru a testa senzorul, puteți asambla un circuit simplu, care, pe lângă senzorul în sine, necesită

• O sursă de alimentare cu tensiunea corectă;
• un rezistor rezistență de aproximativ 1 kΩ;
• LED;
• magnet.

Dacă nu este disponibil niciun LED, se poate folosi un multimetru (și o rezistență de limitare a curentului). multimetru (contor digital sau multifuncțional) în modul de măsurare a tensiunii.

Nu există cerințe speciale pentru sursa de alimentare - curenții din circuit sunt destul de mici. Tensiunea acestuia trebuie să se încadreze în tensiunea de alimentare a senzorului testat. Conectați LED-ul cu anodul la partea pozitivă a sursei de tensiune, iar catodul la ieșirea dispozitivului testat, deoarece senzorul este de obicei realizat cu colector deschis (dar este mai bine să verificați în fișa tehnică).

Procedura de testare depinde de tipul de dispozitiv supus testului.

1. Pentru a testa un senzor digital unipolar, țineți un magnet cu un pol spre senzor. LED-ul ar trebui să se aprindă (săgeata voltmetrului ar trebui să se devieze sau citirea testerului digital ar trebui să se schimbe cu salturi). Circuitul ar trebui să revină la poziția inițială atunci când magnetul este îndepărtat la o distanță considerabilă. Dacă senzorul nu funcționează, rotiți magnetul în sens invers și repetați procedura. Dacă LED-ul clipește, senzorul funcționează. În cazul în care nu se obține niciun succes în niciuna dintre pozițiile magnetului, dispozitivul nu este adecvat pentru utilizare.
2. Senzorul digital bipolar este testat folosind o metodă similară, numai că LED-ul se aprinde la o poziție a magnetului și nu se stinge atunci când sursa de câmp magnetic este îndepărtată. Circuitul nu ar trebui să răspundă la o nouă manipulare cu același pol. Dacă inversați magnetul și îl aduceți la senzor cu polaritate opusă, LED-ul ar trebui să se stingă. Acest lucru indică faptul că dispozitivul testat funcționează corect. Dacă circuitul nu funcționează, înseamnă că senzorul este defect.
3. Un senzor Hall digital omnipolar este testat în același mod ca și un senzor unipolar, dar dispozitivul sensibil la magneți ar trebui să se declanșeze în orice poziție a magnetului.

Senzorii analogici sunt testați folosind aceeași metodologie ca și senzorii digitali, dar tensiunea de ieșire nu trebuie să se modifice brusc, ci în mod regulat pe măsură ce forța magnetică crește (de exemplu, apropierea de un magnet permanent sau creșterea curentului în înfășurarea electromagnetului).

Din punct de vedere practic, o întrebare interesantă este cum se poate verifica senzorul Hall instalat în sistemul de aprindere fără contact al unui automobil. Pentru a face acest lucru, scoateți conectorul de la senzor și asamblați circuitul indicat direct pe pini.

Și în acest caz, LED-ul poate fi înlocuit cu un multimetru. Prin rotirea manuală a arborelui cotit al mașinii, puteți observa intermitențe intermitente ale LED-ului sau modificări ale tensiunii de ieșire de la zero la aproximativ tensiunea de la bordul mașinii. O modalitate alternativă de verificare în garaj este înlocuirea temporară a dispozitivului cu un senzor de înlocuire cunoscut ca fiind bun.

Senzorul Hall a fost utilizat pe scară largă în aplicațiile casnice și industriale. Este ușor să verificați dacă știți cum funcționează.

Articole conexe: