Jak Hallův senzor funguje a jaký signál vytváří – základní principy a aplikace
Magnetické Hallovy senzory jsou v moderních podmínkách rozšířené a používají se nejen ve specializovaných výrobcích, ale i v běžných domácích spotřebičích.
Většina uživatelů ani netuší, jaké citlivé prvky fungují například v jejich telefonu a že je lze instalovat nejen do elektronických zařízení, ale také do vozidel (v autě či motocyklu). V tomto článku se podíváme na zařízení, princip činnosti a účel Hallova senzoru.
Princip činnosti a typy
Použití senzorů v různých zařízeních (zejména v tabletu) se vysvětluje jejich schopností reagovat na změny pole a vypnout se při zavření magnetického krytu pouzdra. Díky této vlastnosti se instalují i do praček, což umožňuje řídit rychlost otáčení bubnu. Zjednodušeně řečeno, Hallův snímač je zde použit jako otáčkoměr.
Historické informace
K pochopení principu fungování tohoto prvku budete potřebovat krátký exkurz do historie. V roce 1879 objevil americký fyzik Hall zajímavý jev související s chováním vodiče s proudem v magnetickém poli. Test ukázal, že pokud proud prochází měděnou deskou umístěnou mezi magnety, objeví se na jejích bočních stranách potenciálový rozdíl. Vyvstává přirozená otázka: jak zkontrolovat toto napětí doma?
Ukázalo se, že v praxi se dá měřit multimetrem nebo jakýmkoliv jiným zařízením, které má patřičné limity. Totéž lze provést s jakýmkoliv vhodným testerem nebo podobným zařízením.
Připojení měřiče potvrdí, že pohybující se elektrony pod vlivem magnetického pole jsou vychylovány do strany (kolmo ke směru jejich pohybu).
Důležité! Velikost této výchylky nebo potenciálového rozdílu je úměrná „síle“ magnetů a proudu procházejícím deskou.
Na tomto základě Hall dospěl k závěru, že takový vodič je dobrým prostředkem pro měření magnetického pole. Na tomto efektu je založen provoz speciálního citlivého prvku zvaného Hallův senzor. Když pochopíte, jak to funguje v každém konkrétním zařízení, můžete si být jisti konečným pochopením principu jeho fungování.
Klasifikace
Je důležité pochopit, jaké typy Hallových senzorů existují a podle jakého principu jsou obvykle klasifikovány. V závislosti na vlastnostech provozu a na tom, proč je to potřeba nebo zamýšleno, může mít Hallův senzor různé konstrukce. Jednou z variant jsou analogová zařízení, která na výstupu produkují nepřetržitý signál.
Naproti tomu digitální prvek má pouze dva diskrétní stavy („nula“ a „jedna“). Tento typ zařízení může být unipolární nebo bipolární. První z nich se spustí, když je detekováno pole jakékoli polarity, a vypne se, když zmizí. To znamená, že unipolární digitální senzor reaguje pouze na nepřítomnost nebo přítomnost magnetické intenzity. Uvažované vlastnosti každého z podtypů také pomáhají pochopit, co to je – Hallův senzor.
Unipolární senzory se přepnou na „jedna“ pouze tehdy, když pole dosáhne prahové úrovně a nejsou schopny detekovat jeho přítomnost při nízkém napětí. Tato vlastnost je významnou nevýhodou takových zařízení, výrazně omezující rozsah jejich použití. Bipolární senzor se spouští s ohledem na polaritu magnetického pole, z nichž jedno jej zapíná a druhé vypíná.
Konvenční grafické označení zařízení této třídy je uvedeno na fotografii níže:
Zařízení a příklady použití
Nejjednodušší systém s Hallovým senzorem obsahuje následující prvky:
- Permanentní magnet (jeho funkcí je vytvářet magnetické pole).
- Pohyblivý rotor s lopatkami nebo zuby.
- Speciální tyč z magnetického materiálu (magnetické jádro).
- Plastové pouzdro.
Technické vlastnosti snímače navíc umožňují použití mikroobvodů zapojených do procesu měření.
Princip činnosti tohoto zařízení je možné pochopit, pokud se seznámíte s detailním schématem zapojení Hallova snímače v oblasti měření. Schéma zapojení a podstata činnosti senzoru mohou být prezentovány následovně:
- Kovové rotorové listy se pohybují v mezeře tvořené polovinami magnetického obvodu.
- Když se otáčejí, dochází k periodickému posunu magnetického toku.
- Vestavěný mikroobvod umožňuje určení nulového indukčního indexu (v těchto okamžicích je napětí na jeho výstupu maximální).
- Na základě frekvence takových výbuchů, počítané stejným mikroobvodem, se posuzuje rychlost otáčení kontrolovaného předmětu (například hřídele motoru u motocyklu).
Aby tento proces proběhl normálně, je třeba při připojení snímače k měřicímu obvodu zohlednit pinout daného vzorku (může být jiný).
Shrneme-li uvažované schéma, mělo by se předpokládat, že snímače této třídy jsou schopny měřit rychlost otáčení klikového hřídele jakéhokoli jedoucího vozidla. Univerzálnost senzoru, která nevylučuje možnost jeho instalace např. do skútru, umožňuje Hallův senzor použít nejen ve složitých technických zařízeních, ale i v běžných domácích spotřebičích.
Použití v zapalovacích systémech a pračkách
Při použití Hallova senzoru v zapalovacím systému automobilu jej lze použít k detekci okamžiku otevření rozdělovače. V tomto případě funguje jako analogový převodník, který určuje, kdy dojde k přerušení palubního napájení. Jeho použití v pracovních modulech pračky je založeno na stejném principu, což umožňuje určit nárůst hmotnosti prádla podle rychlosti otáčení bubnu.
Hallovy snímače jsou instalovány i v některých typech měřicích zařízení. Nejčastěji jsou vybaveny bezkontaktními kleštěmi sloužícími k měření proudu ve vodičích. Vestavěné zařízení reaguje na změny elektromagnetického pole generovaného kolem napájecího kabelu. Navíc pasuje na plynovou rukojeť elektrického kola, což vám umožňuje ovládat úhel jeho otáčení.
Doma
V počítačových klávesnicích tato zařízení poskytují bezkontaktní způsob čtení informací. Snímač obsažený v domácím PC chladiči je schopen řídit polaritu vinutí rotoru, tedy měnit směr jeho otáčení.
Zejména při použití takového prvku v chytrém telefonu zajistí vypnutí zařízení při jeho umístění do pouzdra s „magnetickou“ sponou.
Vzhledem k oblastem použití Hallových senzorů lze zjednodušeně říci, že jejich použití v technické oblasti je prakticky neomezené. V elektronickém návrháři Arduino je například stavebnice s takovým senzorem, která umožňuje ilustrovat Hallův jev v praxi.
Toto není jediný příklad jeho použití pro účely školení, pomáhá začínajícím uživatelům pochopit, jak připojit a používat snímače struktury pole.
Závěrem podotýkáme, že mezi nevýhody Hallových snímačů patří jejich citlivost na elektromagnetické rušení, které se často vyskytuje v provozních obvodech. Kromě toho použití složitých elektronických modulů v konstrukci zařízení do určité míry ovlivňuje jeho spolehlivost a poněkud ji snižuje. Tyto nevýhody snímače nejsou považovány za jeho vady, ale jsou jednoduše brány v úvahu při práci se zařízením.
Nyní víte, co je Hallův senzor, jak funguje a proč je potřeba. Doufáme, že poskytnuté informace byly užitečné a zajímavé!