Co jsou Hallovy senzory – přehled typů senzorů, principů činnosti a aplikací

Hallův jev je nejběžnější metodou měření magnetického pole a Hallovy senzory jsou velmi oblíbené a mají mnoho moderních aplikací. Například je lze nalézt ve vozidlech jako snímače otáček kol a snímače polohy klikového nebo vačkového hřídele. Často se také používají jako spínače, MEMS kompasy, senzory přiblížení a tak dále. V tomto článku se podíváme na to, co je Hallův jev a jak fungují senzory na něm založené.

Dříve jsme na našem webu zkoumali různé projekty pro použití Hallových senzorů, z nichž nejoblíbenější jsou:

• připojení Hallova senzoru k mikrokontroléru AVR ATmega16;
• rychloměr pomocí aplikace Arduino a Android;
• projekt virtuální reality na Arduino Nano a zpracování;
• magnetická levitace pomocí Arduina;
• digitální rychloměr a počítadlo kilometrů na mikrokontroléru PIC.

Co je Hallův efekt?

Zde je experiment, který vysvětluje Hallův jev: Pokud máme tenkou vodivou desku, jak je znázorněno na obrázku, a způsobíme, že přes ni bude protékat proud, budou nosiče náboje proudit v přímce z jedné strany desky na druhou. .

Nyní, když na desku aplikujeme nějaké magnetické pole, narušíme dopředný tok nosičů náboje vlivem síly zvané Lorentzova síla. V tomto případě budou elektrony vychýleny na jednu stranu desky a kladné otvory budou vychýleny na druhou stranu desky. To znamená, že pokud měřidlo umístíme mezi další dvě strany, získáme nějaké napětí, které lze změřit.

Takže efekt produkce měřitelného napětí, jak jsme vysvětlili výše, se nazývá Hallův efekt po Edwinu Hallovi, který jej objevil v roce 1879.

Hallovy senzory

Hlavní Hallův prvek magnetických snímačů Hallova jevu obecně poskytuje velmi malé napětí, pouze několik mikrovoltů na gauss, takže tato zařízení jsou obvykle vyráběna s vestavěnými zesilovači s vysokým ziskem.

Existují dva typy Hallových senzorů: jeden poskytuje analogový a druhý digitální výstup. Analogový senzor se skládá z regulátoru napětí, Hallova prvku a zesilovače. Ze schématu zapojení vidíme, že výstupní signál snímače je analogový a úměrný výstupnímu signálu Hallova prvku nebo intenzitě magnetického pole. Tento typ snímačů je vhodný a používaný pro snímání přiblížení díky jejich spojitému lineárnímu výstupnímu signálu.

Na druhé straně digitální výstupní senzory poskytují pouze dva výstupní stavy: „ON“ nebo „OFF“. Senzory tohoto typu mají přídavný prvek, jak je znázorněno na schématech zapojení. Jedná se o Schmittův spouštěč, který poskytuje hysterezi nebo dvě různé prahové úrovně, takže výstup je buď vysoký nebo nízký.

Příkladem tohoto typu snímače je spínač Hallova efektu. Často se používají jako koncové spínače, například ve 3D tiskárnách a CNC strojích, a pro snímání a polohování v systémech průmyslové automatizace.

Mezi další moderní aplikace těchto senzorů patří měření otáček nebo otáček kola/rotoru za minutu a určování polohy klikového nebo vačkového hřídele v systémech motoru. Tyto snímače se skládají z Hallova prvku a permanentního magnetu, které jsou umístěny vedle ozubeného kotouče připevněného k otočné hřídeli.

Mezera mezi snímačem a zuby kotouče je velmi malá, takže pokaždé, když zub projde blízko snímače, změní se okolní magnetické pole, což způsobí vzestup nebo pokles výstupu snímače. Výstupem snímače je tedy obdélníkový signál, který lze snadno použít k výpočtu rychlosti otáčení rotujícího hřídele.

Video vysvětlující princip fungování Hallova jevu a senzorů na něm založených

Magnetické Hallovy senzory se používají v široké škále zařízení a přístrojů. Nejčastěji si uživatelé ani neuvědomují citlivé mikrosoučástky ve svých chytrých telefonech a tabletech.

Kromě toho jsou nezbytným prvkem mnoha domácích spotřebičů, hudebního a počítačového vybavení a dokonce i automobilů a skútrů.

V tomto článku se blíže podíváme na téma Hallovy přístroje a rozsah jejich použití.

Jaký je princip fungování a typy

Pro lepší pochopení principu fungování těchto mikrokomponent vás pro názornost požádáme o vyzvednutí smartphonu nebo tabletu.

Jak víte, když se dotknete dotykové obrazovky, zařízení reaguje funkcí odezvy, kterou můžete provést i nyní. Tento proces se vysvětluje schopností obrazovky reagovat na změny magnetického pole zvenčí.

Právě díky tomuto principu fungování se Hallovy senzory aktivně používají při konstrukci praček, takže uživatel má možnost konfigurovat programy a rychlost bubnu. Jinými slovy plní funkci tachometru.

Některá historická fakta

Pro lepší pochopení mechanismu působení je nutné rozšířit své znalosti a ponořit se do historické minulosti mikrosoučástky.

V 79. století 19. století objevil americký fyzik Edwin Hall (1855-1938) nový, v té době fenomenální jev, který je nerozlučně spjat s chováním vodivého předmětu v zóně magnetického pole.

Experimentálně vědec zjistil, že na kovovém povrchu vodiče vzniknou opačné potenciály, pokud je objekt umístěn v zóně aktivního magnetického pole a protéká jím proud.

K měření napětí aktivního vodiče v zóně magnetické bolesti doma můžete použít jakýkoli vhodný domácí tester, například multimetr.

Jen poznámka. Je třeba si uvědomit, že rozdíl v potenciálních indikátorech je přímo úměrný napětí elektrického proudu v zóně magnetického pole.

Fyzik Edwin Hall na závěr svého experimentu dospěl k závěru, že samotný objekt, který vede proud, je nejlepším měřítkem magnetického pole. Právě na tomto objevu je založen celý princip fungování Hallových mikrokomponent.

druhy

Hallovy snímače lze rozdělit do skupin nebo typů podle jejich provozních vlastností a rozsahu použití. Jeden z typů se nazývá analogové Hallovy snímače se spojitým signálem.

Dalším typem je digitální. Od předchozího se liší přítomností dvou pevných pozic na „0“ a „1“.

První poloha je spuštěna libovolnou polaritou magnetického pole a v případě potřeby je vypnuta a druhá je spuštěna úplnou nepřítomností napětí v magnetické zóně.

Nevýhodou komponentu je přepnout na „1“ pouze v případě, že je zaznamenáno čtení určité nastavené prahové hodnoty, protože takto nízká funkčnost omezuje rozsah použití Hallových senzorů pro zařízení se slabým polem napětí.

Návrh a vizuální příklady senzorů

Konstrukce Hallových senzorů je velmi jednoduchá. Musí být vybaven následujícími prvky:

1. Hlavní magnet.
2. Rotační hřídel s ozubením.
3. Magnetický vodič.
4. Plastový vnější obal.

Kromě výše popsaných prvků je snímač vybaven mikrodeskou, která měří napětí magnetického pole.

Zapojení senzorů a jejich princip fungování může vypadat takto:

V prostorech mezi magnetickým drátem rotují zářezy hřídele.

Při otáčení zářezů se vytváří obtoková dráha napětí magnetického pole.

Microboard udržuje polohu přepínače na „0“ a výstupní napětí na maximu.

Řízení rychlosti zařízení lze provádět počítáním signálů na čipu, ke kterému dochází automaticky.

Podle schématu lze usoudit, že Hallovými snímači lze měřit a řídit rychlost otáčení libovolných rotujících součástí elektrických spotřebičů.

Optimálnost a jednoduchost principu činnosti umožňuje použití mikrokomponentů pro dotykové ovládání automobilů, specializovaných zařízení a domácích spotřebičů.

Použití v autě a pračce

Hallovy senzory se aktivně používají v zapalovacích systémech všech automobilových vozidel. Díky jejich práci snadno zaznamenáte milisekundu rozdělovače zapalování.

V tomto systému funguje jako formátovací zařízení, které detekuje okamžik otevření palubního napájení distributoru.

Naprosto stejný princip fungování má pračka pro domácnost, která umožňuje ovládat rychlost otáček a přepínat programy praní.

Kromě toho se tyto mikrokomponenty aktivně používají v některých specializovaných zařízeních. Hallovy senzory fungují jako měřiče proudu v objektech, které vedou proud.

Navíc jsou tak všestranné, že je lze použít i v systémech manuálního ovládání jízdních kol, například k ovládání přívodu plynu pro ruční brzdy.

Níže se můžete podívat na krátký informativní video tutoriál o tom, jak fungují senzory v autě.

Použití senzorů doma

Hallovy senzory jsou přítomny v domácnosti každého člověka, ale ne všichni uživatelé o tom vědí. Následující zařízení se bez nich neobejdou:

1. Klávesnice pro notebooky a PC.
2. PC senzory rotoru.
3. Dotyková obrazovka smartphonu, tabletu a dalších gadgetů.

Jak asi tušíte, optimální funkčnost umožňuje použití senzorů ve všech moderních zařízeních.

Obvyklá vlastnost vypnutí obrazovky zakrytím speciálním magnetickým pouzdrem je možná i díky těmto unikátním mikrokomponentům.

Jako všechna zařízení má však i tento mikrozázrak technologie své nevýhody. Mezi nevýhody patří například ultracitlivost na šum a rušení magnetického pole, krátká životnost a křehkost.

Ale zároveň, i když existuje mnoho výhod, tyto nevýhody by měly být jednoduše zohledněny při práci s dotykovými senzory.

Doufáme, že vám tento článek pomůže pochopit téma magnetických Hallových senzorů.