Co to jest czujnik halla: zasada działania, budowa i metody badań

Czujniki są przetwornikami jednej wielkości fizycznej na inną (zwykle wielkości elektrycznej) i są powszechnie stosowane w urządzeniach domowych i przemysłowych. Bez nich pomiar, digitalizacja i przetwarzanie parametrów procesowych, takich jak ciśnienie i przepływ (gazu lub cieczy), jest bardzo trudne, a nawet niemożliwe, temperaturaciśnienie, poziom, natężenie pola magnetycznego lub elektrycznego itp. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych czujników jest czujnik halla - jest on używany zarówno w zastosowaniach domowych (począwszy od smartfonów czy laptopów), jak i w najbardziej złożonych zastosowaniach przemysłowych.

Efekt Halla - zasada działania

Efekt ten został odkryty w 1879 roku przez amerykańskiego fizyka Edwina Halla i od jego nazwiska pochodzi jego nazwa. Istota tego zjawiska polega na tym, że jeśli weźmiemy metalową płytkę i przepuścimy przez nią prąd elektryczny (w kierunku AB na rysunku), a następnie zadziałamy na płytkę polem magnetycznym, takim jak wytworzone przez magnes stały, powstanie różnica potencjałów w kierunku prostopadłym do przepływu prądu (CD na rysunku).

Efekt ten jest spowodowany działaniem siły Lorentza na poruszające się ładunki i przesunięciem ich w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. Powoduje to powstanie różnicy potencjałów na krawędziach płytki, którą można zmierzyć lub wykorzystać do uruchomienia siłowników (poprzez wzmocnienie). Różnica ta zależy od:

• natężenie płynącego prądu;
• natężenie pola magnetycznego;
• koncentracja swobodnych nośników ładunku w przewodniku.

Zjawisko to nosi nazwę od nazwiska jego odkrywcy - efekt Halla.

Rodzaje i budowa czujników Halla

Efekt ten, odkryty jeszcze w ubiegłym wieku, znalazł praktyczne zastosowanie. Jest to podstawa czujników pola magnetycznego. Ich zaletą jest to, że nie mają elementów ruchomych ani trących (w przeciwieństwie do kontaktronów), dzięki czemu ich niezawodność jest znacznie wyższa. Zgodnie z ich zasadą wrażliwości czujniki przemysłowe Czujniki Halla dzielą się na:

• unipolarny (reaguje tylko na jeden biegun magnetyczny - północny lub południowy);
• bipolarne (aktywowane przez pole magnetyczne o tej samej polaryzacji, dezaktywowane przez pole magnetyczne o przeciwnej polaryzacji);
• omnipolarny - reaguje na każdy biegun magnesu.

Różnica potencjałów wytworzona przez pole magnetyczne działające na poruszające się ładunki to jednostki, w najlepszym przypadku dziesiątki mikrowoltów. Nie jest to wystarczające do zastosowań praktycznych, różnica potencjałów musi być wzmocniona. Wzmacniacze te są wbudowane bezpośrednio w obudowę czujnika, a urządzenia są podzielone na dwie klasy w zależności od typu wzmacniacza.

1. Analogowe. Napięcie na wyjściu czujnika jest proporcjonalne do pola magnetycznego (zależy od siły magnesu i jego odległości). Są one oparte na wzmacniaczach operacyjnych i mogą być stosowane do pomiaru pól magnetycznych.
2. Cyfrowy. Za wzmacniaczem komparator lub wyzwalacz Schmitta. Napięcie wyjściowe przeskakuje od zera do wysokiego poziomu (zwykle do poziomu napięcia zasilania), gdy indukcja magnetyczna osiągnie pewien próg. Czujniki te są wykorzystywane do budowy przekaźników magnetycznych lub generatorów impulsów. Wzmocniony sygnał z płytki jest podawany do urządzenia progowego. Po osiągnięciu ustawionego poziomu następuje wyzwolenie czujnika. Poziom reakcji można regulować poprzez zmianę odległości czujnika od źródła pola magnetycznego.

Zastosowania czujników Halla

Najczęstszym zastosowaniem czujników Halla w domu są bezdotykowe układy zapłonowe pojazdów. Mają one tę zaletę, że nie ma w nich mechanicznych grup stykowych. Oznacza to brak zużycia, wypalania styków i ryzyka awarii mechanicznej.

Układ rozdzielczy zawiera płytkę z występami, napędzaną przez wał korbowy silnika, magnes stały oraz sam czujnik Halla. Gdy płyta się obraca, występy uderzają w szczelinę między czujnikiem a magnesem w dokładnie określonym momencie, zdefiniowanym przez położenie wału korbowego, zmieniając pole magnetyczne. Czujnik generuje impulsy zsynchronizowane z obrotami wału korbowego, które regulują napięcie przyłożone do cewki wysokiego napięcia w wymaganych momentach. Czujniki pola magnetycznego w pojeździe są również wykorzystywane do wykrywania położenia wału korbowego.

Innym zastosowaniem czujników magnetycznie czułych jest wykrywanie położenia wirników silników elektrycznych. Element przekaźnikowy jest przymocowany do stojana silnika i jest uruchamiany po przejściu przez biegun. Tę zasadę można wykorzystać do zbudowania licznika prędkości lub miernika prędkości.

Urządzenia wykorzystujące efekt Halla są stosowane w laptopach i urządzeniach przenośnych - jako wskaźnik położenia zamkniętej pokrywy. Gdy czujnik zostanie uruchomiony, komputer przechodzi w stan uśpienia lub wyłącza się. A w smartfonach jedną z funkcji czujnika reagującego na pole magnetyczne Ziemi jest organizowanie działania kompasu elektronicznego.

Analogowe czujniki Halla są stosowane w przyrządach pomiarowych, gdzie konieczna jest ocena pola magnetycznego. Są one niezbędne do bezkontaktowych pomiarów przepływu prądu w przewodniku. Jak wiadomo, gdy przez przewodnik przepływa prąd, wokół niego wytwarza się pole magnetyczne. Jego siła zależy od natężenia prądu. Jeśli prąd jest zmienny, pole można mierzyć innymi metodami (np. za pomocą przekładnika prądowego), ale w przypadku prądu stałego niezbędny jest czujnik Halla. Na tej zasadzie działają cęgi prądowe prądu stałego.

Najbardziej egzotycznym zastosowaniem efektu Halla jest budowa jonowych silników rakietowych opartych na jego zasadzie.

Jak sprawdzić czujnik Halla

Aby przetestować czujnik, można zmontować prosty obwód, który oprócz samego czujnika wymaga

• Zasilacz sieciowy o odpowiednim napięciu;
• opornik rezystancja około 1 kΩ;
• LED;
• magnes.

Jeśli nie ma diody LED, można użyć multimetru (i rezystora ograniczającego prąd). multimetr (miernik cyfrowy lub wielofunkcyjny) w trybie pomiaru napięcia.

Nie ma szczególnych wymagań dotyczących zasilania - prądy w obwodzie są dość małe. Jego napięcie musi mieścić się w zakresie napięcia zasilania testowanego czujnika. Podłącz diodę LED anodą do plusa źródła napięcia, a katodą do wyjścia badanego urządzenia, ponieważ czujnik jest zwykle wykonany jako otwarty kolektor (ale lepiej sprawdzić to w karcie katalogowej).

Procedura testowa zależy od typu testowanego urządzenia.

1. Aby przetestować unipolarny czujnik cyfrowy, przed czujnikiem należy umieścić magnes z jednym biegunem. Dioda LED powinna się zaświecić (strzałka woltomierza powinna się odchylić lub odczyt testera cyfrowego powinien się skokowo zmienić). Po odsunięciu magnesu na znaczną odległość obwód powinien powrócić do pierwotnego położenia. Jeśli czujnik nie działa, odwróć magnes w drugą stronę i powtórz procedurę. Jeśli dioda LED miga, czujnik działa. Jeśli w żadnym z położeń magnesu nie uda się osiągnąć sukcesu, urządzenie nie nadaje się do użytku.
2. Bipolarny czujnik cyfrowy jest testowany podobną metodą, z tą różnicą, że dioda LED świeci się przy jednym położeniu magnesu i nie gaśnie po usunięciu źródła pola magnetycznego. Obwód nie powinien reagować na dalsze manipulacje tym samym biegunem. Jeśli odwrócisz magnes i zbliżysz go do czujnika z przeciwną polaryzacją, dioda LED powinna zgasnąć. Oznacza to, że testowane urządzenie działa prawidłowo. Jeśli obwód nie działa, oznacza to, że czujnik jest uszkodzony.
3. Omnipolarny cyfrowy czujnik Halla jest testowany w taki sam sposób jak czujnik unipolarny, ale urządzenie czułe na magnes powinno zadziałać przy dowolnym położeniu magnesu.

Czujniki analogowe są testowane przy użyciu tej samej metodologii co czujniki cyfrowe, ale napięcie wyjściowe nie powinno zmieniać się gwałtownie, lecz płynnie w miarę wzrostu siły magnetycznej (np. zbliżania magnesu stałego lub zwiększania prądu w uzwojeniu elektromagnesu).

Od strony praktycznej interesujące jest pytanie, jak sprawdzić czujnik Halla zainstalowany w bezdotykowym układzie zapłonowym samochodu. W tym celu należy wyjąć złącze z czujnika i zmontować wskazany układ bezpośrednio na jego stykach.

Również w tym przypadku diodę LED można zastąpić multimetrem. Obracając ręcznie wałem korbowym samochodu, można zaobserwować przerywane błyski diody LED lub zmiany napięcia wyjściowego od zera do wartości zbliżonej do napięcia pokładowego samochodu. Alternatywnym sposobem sprawdzenia w warsztacie jest tymczasowe zastąpienie urządzenia znanym, dobrym czujnikiem zastępczym.

Czujnik Halla znalazł szerokie zastosowanie w aplikacjach domowych i przemysłowych. Sprawdzenie tego nie jest trudne, jeśli ma się pojęcie o tym, jak to działa.

Powiązane artykuły: