Jak funguje Hallův senzor jednoduchými slovy?

Hallovy senzory jsou polovodičové rádiové prvky, které jsou stále populárnější v amatérském rádiovém prostředí a při vývoji radioelektronických zařízení. Používají se v senzorech měřících polohu, rychlost nebo směrový pohyb. Stále častěji nahrazují polohové spínače a jazýčkové spínače. Protože jsou takové senzory absolutně utěsněné a jsou jednoduchým rádiovým prvkem, nebojí se vibrací, prachu a vlhkosti. To znamená, že Hallův senzor je jednoduše řečeno radiový prvek, který reaguje na vnější magnetické pole.

Zajímavé je, že Hallův senzor je v mnoha moderních chytrých telefonech (i když v jeho zjednodušené verzi). Dokáže detekovat přítomnost magnetického pole a funguje ve spojení s magnetickým senzorem, který je zodpovědný za chod kompasu. Hallův senzor se používá i v telefonech, pro které jsou k dispozici speciální kryty s magnetickou západkou – Smart Case. Senzor detekuje, zda je kryt pouzdra otevřený nebo zavřený a automaticky zapne/vypne displej. Chcete-li zjistit, jaké senzory má váš smartphone, použijte tuto příručku.

halový efekt

To bylo v 19. století. Americký fyzik Edwin Hall objevil velmi zvláštní efekt. Vzal zlatý talíř a začal jím procházet stejnosměrný proud. Na obrázku jsem tuto desku označil plochami ABCD.

Můj osobní výběr DIY pájecích sad z Aliexpress pro pájení od jednoduchých za 153 až 2500 rublů. Dceři je 5 let – potřebuje si zvyknout na páječku))) – ať se na to zatím alespoň podívá – běžte se podívat, jedna LED kostka stojí hodně

Prošel stejnosměrným proudem přes plochy D a B. Potom přivedl permanentní magnet kolmo k desce a našel napětí na plochách A a C! Tento efekt byl pojmenován po tomto velkém vědci. Základní fyzikální princip tohoto efektu byl založen na Lorentzově síle. Proto se začaly nazývat rádiové prvky založené na Hallově jevu Hallovy senzory.

Ale je tu jedna malá nuance. Faktem je, že Hallovo napětí, i při nejvyšší intenzitě magnetického pole, bude několik mikrovoltů. Souhlas, to je velmi malé. Proto jsou v Hallově snímači kromě samotné desky instalovány stejnosměrné zesilovače, spínací logické obvody, regulátor napětí a Schmittova spoušť. V nejjednodušším spínacím Hallově senzoru to všechno vypadá nějak takto:

Supply Voltage — napájecí napětí snímače

Voltage Regulator – regulátor napětí

Hallův senzor – samotný Hallův záznam

Výstupní tranzistorový spínač – výstupní spínací tranzistor (tranzistorový klíč)

Lineární (analogové) Hallovy snímače

U lineárních senzorů bude Hallovo napětí (napětí na hranách A a C) záviset na síle magnetického pole. Nebo jednoduše řečeno, čím blíže přiblížíme magnet k senzoru, tím větší bude Hallovo napětí. Toto je lineární vztah.

U lineárních Hallových snímačů je výstupní napětí odebíráno přímo z operačního zesilovače. To znamená, že v lineárních snímačích neuvidíte Schmittovu spoušť, stejně jako výstupní spínací tranzistor. Takže vše bude vypadat takto:

Na čem závisí napětí na plochách A a C? Především z magnetického pole vytvořeného buď permanentním magnetem nebo elektromagnetem; tloušťka desky, stejně jako síla proudu procházejícího samotnou deskou.

Teoreticky, pokud je na Hallův snímač aplikován velmi silný magnetický tok, bude Hallovo napětí nekonečně velké? Bez ohledu na to, jak). Výstupní napětí bude omezeno napájecím napětím. To znamená, že graf bude vypadat nějak takto:

Jak vidíte, do určitého bodu máme lineární závislost výstupního napětí snímače na hustotě magnetického toku. Další zvýšení magnetického toku je zbytečné, protože dosáhlo saturačního napětí, které je omezeno napájecím napětím samotného Hallova snímače.

Díky těmto parametrům byla pomocí Hallova senzoru sestrojena zařízení, která umožňovala měřit sílu proudu ve vodiči bez dotyku samotného drátu, například proudové kleště.

Existují také přístroje, pomocí kterých můžete měřit sílu magnetického pole. Hallovy senzory používané v těchto zařízeních se nazývají lineární, protože napětí na Hallově snímači je přímo úměrné hustotě magnetického toku.

Lineární snímače, jak jsem řekl, lze použít v proudových kleštích. Umožňují měřit proudovou sílu v rozsahu od 250 mA do několika tisíc ampér. Největší výhodou u takových proudových kleští je absence mechanického kontaktu s měřeným obvodem. Jinými slovy, měřiče proudu s Hallovým efektem jsou mnohem bezpečnější než bočníkové a ampérmetrové měřiče, zejména při vysokých proudech v obvodech, které se často vyskytují v průmyslových instalacích.

Digitální Hallovy senzory

Jakmile přišla éra digitální elektroniky, začaly se do stejného obalu umisťovat různé logické prvky spolu s Hallovým senzorem. Již jsme zvažovali nejjednodušší Hallův senzor na spouště Schmitt výše a vypadá takto:

Ve skutečnosti má takový snímač pouze dva výstupní stavy. Buď je signál (logická jednička), nebo není (logická nula). Hystereze na spouště Schmitt jednoduše eliminuje časté spínání, takže se vždy používá v digitálních Hallových senzorech.

V důsledku toho průmysl začal vyrábět Hallovy senzory pro digitální elektroniku. V zásadě jsou tyto senzory rozděleny do tří typů:

Jednopolární

Reagujte pouze na jeden magnetický pól. Opačnému magnetickému pólu není věnována žádná pozornost. Například přivedeme jižní pól magnetu a senzor bude fungovat. Nebude reagovat na severní magnetický pól.

Bipolární

Magnet přivedeme s jedním pólem – snímač bude fungovat a bude fungovat, i když magnet ze snímače vyjmeme. Abychom jej vypnuli, musíme na něj přiložit jinou polaritu magnetu.

Jak zkontrolovat Hallův senzor

Pojďme se podívat na digitální bipolární Hallův snímač SS41. Naše oddělení vypadá takto:

Soudě podle datasheetu dodáváme plus výkon do první větve, mínus na druhou a ze třetí větve již odebíráme signál logické jednotky nebo nuly.

K tomu sestavíme nejjednodušší obvod: 3V LED, proud omezující odpor 1 kiloohm a samotný Hallův senzor.

Nyní se držíme našeho obvodu ze zdroje napájení a nastavíme na něj 5 voltů. Mínus na středním výstupu a plus výkon – na prvním.

Mám po ruce tento magnet:

Aby nedošlo k záměně pólů, označil jsem jeden z pólů magnetu červenou papírovou cenovkou. Jaký – to nevím, protože nemám kompas, kterým by se dalo zjistit, kde je severní pól a kde jižní.

Jakmile jsem magnet s „červeným“ pólem přivedl k hallovu čidlu, moje LED okamžitě zhasla.

Otočím magnet druhým pólem, přivedu ho k Hallovu senzoru a voila!

Pokud se magnet nepřetočí, to znamená, že se nezmění póly, pak LED zůstane také zhasnutá, protože senzor bipolární.

A zde je video z práce

Jak můžete vidět na videu, Hallův senzor ovládáme magnetem. Hallův senzor nám dává dva stavy signálu: je signál – jedna, není žádný signál – nula. To znamená, že LED svítí – jedna, LED nesvítí – nula.

Aplikace Hallova senzoru

V současné době je oblast použití Hallových senzorů velmi rozsáhlá a každým rokem se rozšiřuje a rozšiřuje. Zde jsou hlavní aplikace:

Aplikace lineárních senzorů

• proudové senzory
• tachometry
• vibrační senzory
• feromagnetické detektory
• úhlové senzory
• bezkontaktní potenciometry
• bezkomutátorové stejnosměrné motory
• průtokové senzory
• snímače polohy

Aplikace digitálních senzorů

• snímače rychlosti
• synchronizační zařízení
• senzory systému zapalování automobilů
• snímače polohy
• čítače impulsů
• snímače polohy ventilu
• zámek u dveří
• Průtokoměry
• bezkontaktní relé
• detektory přiblížení
• senzory papíru (v tiskárnách)

Závěr

Proč jsou Hallovy senzory tak dobré? Pokud jsou dodrženy normální provozní hodnoty napětí a proudu, pak teoreticky senzor vydrží nekonečný počet zapnutí-vypnutí. Nemají elektromechanický kontakt, který by se opotřeboval, na rozdíl od jazýčkového spínače a elektromagnetického relé. V současné době již téměř kompletně nahradily jazýčkové spínače.