Senzory s Hallovým jevem: Pracovní princip, 5 důležitých aplikací

Obsah:

• Úvod
• Magnetické senzory
• Hallovy snímače
• Co je Hallovo napětí (V_H)?
• Hallův koeficient (R._H)
• Konstrukce snímačů Hall Effect
• Symbol snímače Hall Effect
• Pracovní princip snímačů Hall Effect
• Experiment s Hallovým efektem
• Analogové a digitální Hallův snímač
• Typ snímačů Hall Effect
• Aplikace snímačů Hall Effect

Magnetické senzory

Magnetické senzory jsou zařízení, která jsou schopna detekovat a analyzovat magnetická pole generovaná magnet nebo aktuální. Mohou být použity pro různé druhy aplikací, jako je snímání změny polohy a úhlu magnetického pole, snímání změny síly nebo směru aplikovaného magnetického pole atd.

K detekci změny intenzity magnetického pole se používají různé typy magnetických senzorů, jako je Hallův snímač (Hallovy spínače, lineární Hallovy senzory atd.), Magnetický odporový senzor k detekci změny směru magnetického pole , úhlové snímače používané k detekci změny úhlu magnetického pole, 3D Hallovy snímače a také magnetické snímače rychlosti. Senzory Hall Effect se používají v široké škále aplikací, jako je snímač přiblížení, měření polohy a rychlosti atd. Používají se dokonce i v počítačových tiskárnách, pneumatických válcích, počítačových klávesnicích atd.

Magnetické senzory jsou obecně polovodičové zařízení, které je dnes velmi žádané díky své vysoké přesnosti a přesnosti, bezkontaktnímu provozu, poměrně nízkým nákladům na údržbu, kompaktní konstrukci atd. Nyní magnetické senzory bez jádra určené pro různé druhy k dispozici jsou průmyslové aplikace, například uzavřená zařízení Hall Effect jsou vodotěsná a jsou vyrobena tak, aby odolávala i jakýmkoli vibracím.

Magnetické senzory se často používají v automobilových systémech, zejména pro analýzu polohy autosedaček, bezpečnostních pásů a pro ovládání systému airbagů a také pro detekci rychlosti otáčení kol u protiblokovacího systému (ABS).

Hallovy snímače

Hallovy snímače jsou magnetické snímače, jejichž výstup závisí na magnetickém poli nebo hustotě magnetického toku kolem magnetického snímače.

• Slovo „Hall“ pochází z Dr. Edwin Hall, který objevil tento Hall Effect poprvé.
• Pokud existuje vnější magnetické pole svisle k objektu, kterým prochází proud, generuje se elektromotorická síla ve směru kolmém na magnetické pole a na proud.

Co je Hallovo napětí (V_H)?

Pokud je v magnetickém senzoru aplikováno externí magnetické pole, aktivuje se. Výstupní napětí snímače Hallova jevu je úměrné síle aplikovaného magnetického pole procházejícího kolem. Po překročení určité prahové hodnoty hustoty magnetického toku vnějším polem je generováno výstupní napětí, které je obecně známé jako Hallovo napětí (V_H).

Hallův koeficient (R._H)

Množství rozdílu potenciálu na jednotku tloušťky kovového proužku v Hallově efektu distribuované součinem magnetické intenzity a podélné hustoty proudu.

Jednotky Hallova koeficientu R_H jsou obecně přenášeny jako m³/ C nebo Ω · cm / G.

Konstrukce snímačů Hall Effect:

Návrh Hallova snímače

Senzory Hall Effect se obvykle skládají z obdélníkového kusu polovodiče, jako je indium antimonit (InSb) nebo arsenid galia (GaAs) známý jako Hallova sonda namontovaná na hliníkovou desku a zcela zakryté uvnitř hlavy sondy. Rukojeť sondy vyrobená z nemagnetického materiálu je spojena s hlavou sondy tak, že rovina obdélníkové desky polovodiče je kolmá k rukojeti sondy.

Když je zařízení aktivováno, dochází k nepřetržitému toku proudu přes polovodič. Pokud jsou čáry vnějšího magnetického pole v pravém úhlu k hlavě sondy tak, že vedené čáry procházejí pravými úhly přes senzor sondy, vzniká napětí známé jako napětí „Hallova jevu“ a zařízení poskytuje čtení hustoty magnetického toku (B) vnějšího pole.

Symbol snímače Hall Effect:

Co je to Hall Effect Transducer?

Pracovní princip snímačů Hall Effect

• Senzor Hallova efektu funguje primárně díky působení Lorentzovy síly (je to síla, kterou působí nabitá částice vlivem elektrického pole nebo magnetického pole, tj. jednoduše elektromagnetické pole).

• V přítomnosti existujícího vnějšího magnetického pole dostatečné velikosti jsou elektrony v polovodičové desce vychýleny směrem k jednomu okraji desky, tj. Díry a elektrony se posouvají na obě strany desky v důsledku Lorentzovy síly, která na ně působí.

• Za tímto účelem je jedna strana polovodiče nabitá záporně a na opačné straně je kladně nabitá. To vytváří gradient napětí na dvou protilehlých stranách obdélníkové desky v důsledku akumulace opačných nábojů na těchto dvou stranách. Toto napětí je známé jako Hallovo napětí (V_H) a účinek generování tohoto měřitelného Hallova napětí pomocí externího magnetického pole je známý jako Hallův efekt.

• Aby se generoval potenciální rozdíl tak, že vznikne měřitelné napětí, musí být čáry vnějšího magnetického pole v pravém úhlu k rovině, kde proud protéká deskou. Aby snímače Hall Effect fungovaly, měla by být zajištěna správná polarita.

• Jak se elektrony a díry od sebe navzájem posunují, vytváří se potenciální gradient a separace se zvyšuje, dokud síla v důsledku elektrického pole nevyrovná sílu produkovanou magnetickým polem. Když se obě síly navzájem vyrovnávají, proud se nemění a bylo vypočítáno Hallovo napětí, které je detekováno v tomto bodě a z této hustoty magnetického toku (B).                       

• Pokud výstupní napětí lineárně závisí na hustotě magnetického toku, pak jej nazýváme lineárními senzory Hall Effectu a pokud dojde k prudkému poklesu výstupního napětí při různé hustotě magnetického toku, nazývá se to jako prahový Hallův efektový senzor.

• Slyšeli jsme o indukčních senzorech, které reagují na měnící se magnetické pole, protože indukují proud v cívce drátu, a proto generují napětí na jeho výstupu. Indukční senzory proto mohou detekovat pouze statická (neměnící se) magnetická pole, zatímco senzory Hall Effect mohou detekovat jak měnící se, tak neměnící se magnetické pole.

• Senzor Hall Effect může poskytovat informace týkající se typu magnetického pólu použitého pro generování napětí a také velikosti hustoty externího magnetického toku (B). Pomocí skupiny senzorů můžeme zjistit relativní polohu použitého externího magnetu.

• Výstupní napětí senzoru Hall Effect je obecně velmi malé velikosti, jako několik mikrovoltů, i když je na senzor aplikováno silné vnější magnetické pole. Většina komerčně dostupných snímačů Hall Effect je proto konstruována s vestavěným stejnosměrným zesilovačem a regulátory napětí, aby se zlepšila citlivost snímače a velikost výstupního napětí.

Experiment s Hallovým efektem

Analogový a digitální snímač Hall Effect

Výstup snímače Hall Effect může být lineární (analogový) nebo digitální. Výstup lineárního senzoru Hall Effect je přímo úměrný vnějšímu magnetickému poli, tj. Hustotě magnetického toku procházejícího senzorem a výstup je odebírán z výstupu diferenciálního OP-AMP. Hallův efekt Lineární (analogové) snímače mají spojitý napěťový výstup, který se mění podle intenzity změn vnějšího magnetického pole.

Vzorec snímače Hallových efektů:

Výstup lineárního senzoru Hall Effect lze vyjádřit jako:

Kde,

• V_H je Hall napětí
• R_H je Hall Effect co-efektivní
• I je proud protékající senzorem (polovodičová deska)
• t je tloušťka senzoru
• B je hustota vnějšího magnetického toku

V případě digitálního snímače s Hallovým efektem je výstup odebírán z výstupu OPAMP, který je zase propojen se Schmittovým spouštěčem s vestavěným hystereze který snižuje oscilace výstupního napětí. V tomto případě, pouze když je intenzita vnějšího pole vyšší než specifická hodnota v zařízení, zařízení se přepne do stavu ZAPNUTO ze stavu VYPNUTO.

Typ snímačů Hall Effect:

V závislosti na typu externího magnetického pólu, který je k jejich provozu zapotřebí, jsou snímače Hall Effect dvou typů.

1. Bipolární
2. Jednopolární

Dvě z nejběžnějších konfigurací snímání v senzoru Hall Effect pomocí jediného magnetu jsou detekce čelní a boční detekce. Při detekci do stran je nutné pohybovat magnetem do strany před povrchem prvku Hall Effect. Při čelní detekci se magnet pohybuje směrem k halovému prvku a od něj způsobem kolmým na rovinu prvku.

Aplikace snímačů Hall Effect:

• Snímač polohy: Při provozu v režimu zapnuto/vypnuto, tj. s digitálním výstupem, detekce výskytu magnet materiál je jednou z důležitých průmyslových aplikací snímačů Hallova jevu.
• DC transformátory: Hallův efekt se používá k měření stejnosměrného magnetického toku a ve výsledku lze vypočítat stejnosměrný proud.
• Přepínač klávesnice: U některých počítačových klávesnic se používají přepínače Hall Effect. Ale vzhledem ke svým poměrně vysokým nákladům se pro svou vysokou spolehlivost omezuje na oblast leteckého a vojenského průmyslu.
• Ukazatel hladiny paliva: Snímač Hall Effect snímá polohu plovoucího prvku pomocí snímání polohy a používá se jako indikátor hladiny paliva v automobilu.
• Elektrický běžecký pás: Hallové senzory se zde používají pro snímače rychlosti a také pro nouzové zastavení v případě náhodného pádu. Pas uživatele na běžeckém pásu je připevněn k tažné šňůře, která je zase připojena k magnetu. Pokud uživatel náhodou spadne, magnet se odpojí a dojde k přerušení napájení, které stroj zastaví.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde

Také čtení:

• Příklady magnetického pole
• Vytváří elektrické pole magnetické pole
• Je kevlar magnetický
• Magnetické pole versus síla magnetického pole
• Je magnetické pole nulové
• Mění se magnetické pole
• Je magnetická uhlíková ocel
• Je chrom magnetický
• Co vytváří sílu magnetického pole 2
• Magnetické siločáry Země