Czujniki z efektem Halla: zasada działania, 5 ważnych zastosowań

Spis treści:

• Wprowadzenie
• Czujniki magnetyczne
• Czujniki Halla
• Co to jest napięcie Halla (V._H)?
• Współczynnik Halla (R._H)
• Budowa czujników Halla
• Symbol czujnika Halla
• Zasada działania czujników Halla
• Eksperyment Halla
• Analogowy i cyfrowy Czujnik Halla
• Typ czujników Halla
• Zastosowania czujników Halla

Czujniki magnetyczne

Czujniki magnetyczne to urządzenia, które są w stanie wykryć i przeanalizować pola magnetyczne generowane przez magnes lub aktualny. Mogą być używane do różnych zastosowań, takich jak wykrywanie zmiany położenia i kąta pola magnetycznego, wyczuwanie zmiany siły lub kierunku przyłożonego pola magnetycznego itp.

Istnieją różne typy czujników magnetycznych, takich jak czujnik Halla (przełączniki Halla, liniowe czujniki Halla itp.), Które są używane do wykrywania zmiany natężenia pola magnetycznego, czujnik Magneto-rezystancyjny do wykrywania zmiany kierunku pola magnetycznego. , czujniki kąta stosowane do wykrywania zmiany kąta pola magnetycznego, czujniki Halla 3D oraz magnetyczne czujniki prędkości. Czujniki Halla są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak czujnik zbliżeniowy, pomiar położenia i prędkości itp. Są nawet używane w drukarkach komputerowych, siłownikach pneumatycznych, klawiaturach komputerowych itp.

Czujniki magnetyczne są generalnie urządzeniem półprzewodnikowym, które jest obecnie bardzo poszukiwane ze względu na wysoką precyzję i dokładność, bezkontaktową pracę, stosunkowo niskie koszty konserwacji, zwartą konstrukcję itp. Obecnie bezrdzeniowe czujniki magnetyczne przeznaczone do różnych rodzajów dostępne są zastosowania przemysłowe, na przykład uszczelnione urządzenia Halla są wodoodporne i są wykonane w taki sposób, aby były również odporne na wszelkie wibracje.

Czujniki magnetyczne są szeroko stosowane w systemach motoryzacyjnych, zwłaszcza do analizy pozycji siedzeń samochodowych, pasów bezpieczeństwa i do sterowania systemem poduszek powietrznych, a także do wykrywania prędkości obrotowej kół w układzie przeciwblokującym (ABS).

Czujniki Halla

Czujniki Halla to czujniki magnetyczne, których moc wyjściowa zależy od pola magnetycznego lub gęstości strumienia magnetycznego wokół czujnika magnetycznego.

• Skąd wzięło się słowo „Hall” doktora Edwina Halla, który po raz pierwszy odkrył ten efekt Halla.
• Jeśli istnieje zewnętrzne pole magnetyczne prostopadłe do obiektu, przez który przepływa prąd, siła elektromotoryczna będzie generowana w kierunku prostopadłym do pola magnetycznego i do prądu.

Co to jest napięcie Halla (V._H)?

Jeśli do czujnika magnetycznego zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, zostaje ono aktywowane. Napięcie wyjściowe czujnika Halla jest proporcjonalne do natężenia przepływającego przyłożonego pola magnetycznego. Po przekroczeniu określonego progu gęstości strumienia magnetycznego przez pole zewnętrzne generowane jest napięcie wyjściowe, które jest powszechnie znane jako Napięcie Halla (V._H).

Współczynnik Halla (R._H)

Wielkość różnicy potencjałów na jednostkę grubości paska metalowego w efekcie Halla rozłożona jako iloczyn natężenia magnetycznego i gęstości prądu podłużnego.

Jednostki współczynnika Halla R_H są generalnie przenoszone jako m³/ C lub Ω · cm / G.

Budowa czujników efektu Halla:

Konstrukcja czujnika Halla

Czujniki Halla składają się na ogół z prostokątnego kawałka półprzewodnika, takiego jak ind antymonit (InSb) lub arsenek galu (GaAs) znany jako sonda Halla zamontowana na aluminiowa płyta i całkowicie zakryta wewnątrz głowicy sondy. Rękojeść sondy wykonana z materiału niemagnetycznego jest połączona z głowicą sondy w taki sposób, że płaszczyzna prostokątnej płytki półprzewodnika jest prostopadła do rękojeści sondy.

Po uruchomieniu urządzenia przez półprzewodnik następuje ciągły przepływ prądu. Jeśli linie zewnętrznego pola magnetycznego są prostopadłe do głowicy sondy, tak że linie pola przechodzą pod kątem prostym przez czujnik sondy, powstaje napięcie znane jako napięcie „efektu Halla”, a urządzenie zapewnia odczyt indukcji magnetycznej (B) pola zewnętrznego.

Symbol czujnika Halla:

Co to jest przetwornik efektu Halla?

Zasada działania czujników Halla

• Czujnik Halla działa przede wszystkim dzięki działaniu siły Lorentza (jest to siła doświadczana przez naładowaną cząstkę w wyniku pola elektrycznego lub pola magnetycznego, czyli po prostu elektromagnetyczny pole).

• W obecności istniejącego zewnętrznego pola magnetycznego o wystarczającej wielkości, elektrony w płycie półprzewodnikowej są odchylane w kierunku jednej krawędzi płyty, tj. Dziury i elektrony przesuwają się w obie strony płyty z powodu działającej na nie siły Lorentza.

• W tym celu jedna strona półprzewodnika jest naładowana ujemnie, a druga strona okazuje się być naładowana dodatnio. Powoduje to powstanie gradientu napięcia na dwóch przeciwległych stronach prostokątnej płyty z powodu nagromadzenia przeciwnych ładunków po tych dwóch stronach. To napięcie jest znane jako napięcie Halla (V._H), a efekt generowania tego mierzalnego napięcia Halla przy użyciu zewnętrznego pola magnetycznego jest znany jako efekt Halla.

• Aby wygenerować taką różnicę potencjałów, że wytwarzane jest mierzalne napięcie, linie zewnętrznego pola magnetycznego muszą być ustawione pod kątem prostym do płaszczyzny, w której prąd przepływa przez płytę. Należy również zapewnić prawidłową polaryzację, aby czujniki Halla działały.

• Gdy elektrony i dziury oddalają się od siebie, generowany jest gradient potencjału, a separacja rośnie, aż siła wywołana polem elektrycznym zrównoważy siłę wytwarzaną przez pole magnetyczne. Kiedy obie siły równoważą się, prąd się nie zmienia, a napięcie Halla wykrywane w tym punkcie i na podstawie tej gęstości strumienia magnetycznego (B) zostało obliczone.                       

• Jeśli napięcie wyjściowe zależy liniowo od gęstości strumienia magnetycznego, wówczas nazywamy to liniowymi czujnikami efektu Halla, a jeśli następuje gwałtowny spadek napięcia wyjściowego przy różnej gęstości strumienia magnetycznego, wówczas nazywa się to progowym czujnikiem Halla.

• Słyszeliśmy o czujnikach indukcyjnych, które reagują na zmieniające się pole magnetyczne, ponieważ indukują prąd w cewce z drutu, a tym samym generują napięcie na wyjściu. Dlatego czujniki indukcyjne mogą wykrywać tylko statyczne (niezmienne) pola magnetyczne, podczas gdy czujniki Halla mogą wykrywać zarówno zmienne, jak i niezmienne pole magnetyczne.

• Czujnik Halla może dostarczyć informacji o rodzaju bieguna magnetycznego używanego do wytworzenia napięcia, a także o wielkości zewnętrznego strumienia magnetycznego (B). Korzystając z grupy czujników, możemy znaleźć względne położenie zastosowanego magnesu zewnętrznego.

• Napięcie wyjściowe czujnika Halla ma na ogół dość małą wielkość, na przykład kilka mikro-woltów, nawet gdy na czujnik działa silne zewnętrzne pole magnetyczne. W związku z tym większość dostępnych na rynku czujników Halla jest zbudowanych z wbudowanym wzmacniaczem prądu stałego i regulatorami napięcia, aby poprawić czułość czujnika i wielkość napięcia wyjściowego.

Eksperyment Halla

Analogowy i cyfrowy czujnik efektu Halla

Wyjście czujnika Halla może być liniowe (analogowe) lub cyfrowe. Sygnał wyjściowy liniowego czujnika Halla jest wprost proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego, tj. Gęstości strumienia magnetycznego przechodzącego przez czujnik, a sygnał wyjściowy jest pobierany z wyjścia różnicowego OP-AMP. Czujniki liniowe (analogowe) wykorzystujące efekt Halla mają ciągłe napięcie wyjściowe, które zmienia się wraz ze zmianami natężenia zewnętrznego pola magnetycznego.

Formuła czujnika Halla:

Wyjście liniowego czujnika Halla można wyrazić jako:

Gdzie,

• V_H jest napięcie halla
• R_H to współczynnik Halla
• Ja jest prądem przepływającym przez czujnik (płyta półprzewodnikowa)
• t to grubość czujnika
• B to zewnętrzna gęstość strumienia magnetycznego

W przypadku efektu Halla wyjście czujnika cyfrowego pobierane jest z wyjścia OPAMP, który z kolei połączony jest z wyzwalaczem Schmitta z wbudowanym histereza co zmniejsza oscylacje napięcia wyjściowego. W takim przypadku dopiero, gdy natężenie pola zewnętrznego jest wyższe niż określona wartość w urządzeniu, urządzenie przechodzi do stanu ON ze stanu OFF.

Typ czujników Halla:

W zależności od typu zewnętrznego bieguna magnetycznego wymaganego do ich działania, czujniki Halla są dwojakiego rodzaju.

1. Dwubiegunowy
2. Jednobiegunowy

Dwie najczęstsze konfiguracje wykrywania w czujniku Halla wykorzystującym pojedynczy magnes to wykrywanie czołowe i wykrywanie boczne. W detekcji bocznej wymagane jest przesuwanie magnesu ruchem bocznym przed powierzchnią elementu Halla. Podczas wykrywania czołowego magnes porusza się w kierunku i od elementu hali prostopadle do płaszczyzny elementu.

Zastosowania czujników Halla:

• Czujnik pozycji: Podczas pracy w trybie włącz/wyłącz, czyli posiadając wyjście cyfrowe wykrywające wystąpienie pola magnetycznego materiały jest jednym z ważnych przemysłowych zastosowań czujników Halla.
• Transformatory DC: Czujnik Halla służy do pomiaru strumienia magnetycznego DC, dzięki czemu można obliczyć prąd stały.
• Przełącznik klawiatury: Do niektórych klawiatur komputerowych używane są przełączniki Hall Effect. Jednak ze względu na stosunkowo wysoki koszt, ze względu na wysoką niezawodność ogranicza się do lotnictwa i wojska.
• Wskaźnik poziomu paliwa: Czujnik Halla wykrywa położenie elementu pływającego za pomocą wykrywania położenia i jest używany jako samochodowy wskaźnik poziomu paliwa.
• Bieżnia elektryczna: Czujniki Halla są tutaj używane do czujników prędkości, a także do zatrzymania awaryjnego w przypadku przypadkowego upadku. Pas użytkownika bieżni jest przymocowany do sznurka, który z kolei jest przymocowany do magnesu. Jeśli użytkownik przypadkowo upadnie, magnes zostanie odłączony i nastąpi przerwa w zasilaniu, która zatrzymuje maszynę.

Więcej artykułów związanych z elektroniką kliknij tutaj

Przeczytaj także:

• Przykłady pola magnetycznego
• Czy pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne
• Czy kevlar jest magnetyczny
• Pole magnetyczne a siła pola magnetycznego
• Czy pole magnetyczne jest zerowe
• Czy pole magnetyczne się zmienia
• Czy stal węglowa jest magnetyczna
• Czy chrom jest magnetyczny
• Co wytwarza siłę pola magnetycznego 2
• Linie pola magnetycznego ziemi