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.
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:
.JPG)
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.
.JPG)
Nyní se držíme našeho obvodu ze zdroje napájení a nastavíme na něj 5 voltů. Mínus na středním výstupu a plus výkon – na prvním.
.JPG)
Mám po ruce tento magnet:
.JPG)
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.
.JPG)
Jakmile jsem magnet s „červeným“ pólem přivedl k hallovu čidlu, moje LED okamžitě zhasla.
.JPG)
Otočím magnet druhým pólem, přivedu ho k Hallovu senzoru a voila!
.JPG)
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.
Hallovy senzory: princip činnosti, typy, použití, způsob kontroly
Elektromagnetické zařízení zvané Hallův snímač (dále jen DH) se používá v mnoha zařízeních a mechanismech. Největší uplatnění ale našel v automobilovém průmyslu. Téměř u všech modelů domácího automobilového průmyslu (VAZ 2106, 2107, 2108 atd.) je bezkontaktní zapalovací systém pro benzínový motor řízen tímto snímačem. V důsledku toho, když selže, vznikají vážné problémy s provozem motoru. Aby nedošlo k omylu v diagnostice, je nutné porozumět principu činnosti senzoru, znát jeho konstrukci a metody testování.
Stručně o principu práce
Princip činnosti senzoru zapalování je založen na Hallově jevu, který dostal své jméno na počest amerického fyzika, který tento jev objevil v roce 1879. Přivedením konstantního napětí na okraje obdélníkové desky (A a B na obr. 1) a jejím umístěním do magnetického pole objevil Edwin Hall potenciálový rozdíl na dalších dvou hranách (C a D).
Obr. 1. Ukázka Hallova efektu
V souladu se zákony elektrodynamiky působí Lorentzova síla na nosiče náboje, což vede k rozdílu potenciálů. Hodnota napětí Usál poměrně malý, v rozmezí od 10 μV do 100 mV, závisí jak na síle proudu, tak na síle elektromagnetického pole.
Až do poloviny minulého století nenašel objev vážnějšího technického uplatnění, až vznikla výroba polovodičových prvků na bázi křemíku, ultračistého germania, arsenidu india aj. s potřebnými vlastnostmi. To otevřelo příležitosti pro výrobu malých senzorů, které dokážou měřit jak intenzitu pole, tak proud procházející vodičem.
Typy a rozsah
Navzdory rozmanitosti prvků, které aplikují Hallův efekt, je lze podmíněně rozdělit do dvou typů:
- Analogové, využívající principu přeměny magnetické indukce na napětí. To znamená, že polarita a velikost napětí přímo závisí na charakteristikách magnetického pole. V současné době se tento typ zařízení používá především v měřicí technice (například jako snímače proudu, vibrací, úhlu natočení). Snímače proudu s Hallovým efektem mohou měřit střídavý i stejnosměrný proud
- Digitální. Na rozdíl od předchozího typu má snímač pouze dvě stabilní polohy, signalizující přítomnost či nepřítomnost magnetického pole. To znamená, že ke spuštění dochází, když intenzita magnetického pole dosáhne určité hodnoty. Právě tento typ zařízení se používá v automobilovém průmyslu jako snímač rychlosti, fáze, polohy vačkového hřídele, klikového hřídele atd.
Je třeba poznamenat, že digitální typ zahrnuje následující poddruhy:
- unipolární – ke spouštění dochází při určité intenzitě pole a po jejím snížení přejde senzor do výchozího stavu;
- bipolární – tento typ reaguje na polaritu magnetického pole, to znamená, že jeden pól zařízení zapíná a druhý vypíná.
Typicky je většina snímačů tříkolíkové komponenty, z nichž dva jsou bi- nebo unipolární a třetí je signál.
Příklad použití analogového prvku
Uvažujme jako příklad návrh proudového snímače, na jehož činnosti je využíván Hallův jev.
Zjednodušený obvod snímače proudu Hallova jevu
Označení:
- A je dirigent.
- B – otevřený magnetický kroužek.
- С – analogový Hallův snímač.
- D – zesilovač signálu.
Princip činnosti takového zařízení je poměrně jednoduchý: proud procházející vodičem vytváří elektromagnetické pole, snímač měří jeho velikost a polaritu a vydává proporcionální napětí UDT, který jde do zesilovače a poté do indikátoru.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I
Jmenování HH v systému zapalování automobilu
Poté, co jsme se zabývali principem fungování Hallova prvku, zvážíme, jak se tento snímač používá v bezkontaktním zapalovacím systému řady automobilů VAZ. Chcete-li to provést, podívejte se na obrázek 5.
Rýže. 5. Princip zařízení SBZ
Označení:
- A – senzor.
- B – magnet.
- C – deska z magneticky vodivého materiálu (počet výstupků odpovídá počtu válců).
Operační algoritmus takového schématu vypadá následovně:
- Když se hřídel zhášedla-rozdělovače otáčí (synchronně s klikovým hřídelem), jeden z výstupků magneticky vodivé desky zaujme polohu mezi snímačem a magnetem.
- V důsledku tohoto působení se mění síla magnetického pole, což spouští činnost HH. Vyšle elektrický impuls do spínače, který ovládá zapalovací cívku.
- Cívka generuje napětí potřebné k vytvoření jiskry.
Nezdálo by se to nic složitého, ale jiskra by se měla objevit přesně v určitém okamžiku. Pokud se vytvoří dříve nebo později, způsobí poruchu motoru až do jeho úplného zastavení.
Vzhled Hallova senzoru pro SBZ VAZ 2110
Symptom poruchy a možné příčiny
Poruchy v práci HH lze zjistit následujícími nepřímými příznaky:
- Dochází k prudkému nárůstu spotřeby paliva. To je způsobeno skutečností, že směs paliva a vzduchu je vstřikována více než jednou během jednoho cyklu otáčení klikového hřídele.
- Projev nestabilního chodu motoru. Auto může začít „škubat“, dochází k prudkému zpomalení. V některých případech není možné vyvinout rychlost vyšší než 50-60 km/h. Motor se během provozu “zasekne”.
- Někdy může porucha snímače vést k fixaci převodovky bez možnosti přepnutí (u některých modelů dovážených automobilů). K nápravě situace je nutný restart motoru. S takovými pravidelnými případy lze s jistotou uvést cestu z budování DP.
- Porucha se často může projevit ve formě zmizení zapalovací jiskry, což bude mít za následek nemožnost nastartování motoru.
- V systému autodiagnostiky lze pozorovat pravidelné poruchy, například kontrolka kontroly motoru se rozsvítí při volnoběhu a při zvýšení otáček kontrolka zhasne.
Není vůbec nutné, aby uvedené faktory byly způsobeny selháním RP. Existuje vysoká pravděpodobnost, že porucha je způsobena jinými důvody, konkrétně:
- dostat úlomky nebo jiné cizí předměty na pouzdro DP;
- došlo k přerušení signálního vodiče;
- voda se dostala do konektoru DP;
- signální vodič zkratovaný k zemi nebo palubní síti;
- stínící plášť praskl na celém svazku nebo jednotlivých vodičích;
- poškození vodičů dodávajících energii do DP;
- polarita napětí přiváděného do snímače je obrácená;
- problémy s vysokonapěťovým obvodem zapalovacího systému;
- problémy s řídicí jednotkou;
- mezera mezi DP a magneticky vodivou deskou je nesprávně nastavena;
- možná příčina spočívá ve vysoké amplitudě koncového házení ozubeného kola vačkového hřídele.
Jak zkontrolovat, zda Hallův senzor funguje?
Existují různé způsoby, jak zkontrolovat provozuschopnost snímače SBZ, krátce o nich budeme hovořit:
- Simulujeme přítomnost HH. Toto je nejjednodušší způsob rychlé kontroly. Ale o jeho účinnosti lze diskutovat pouze tehdy, pokud se nevytvoří jiskra, když je k dispozici napájení v hlavních uzlech systému. Chcete-li testovat, postupujte takto:
- odpojte třívodičovou zástrčku od rozdělovače;
- spustíme zapalovací systém a současně s tímto “zkratem” propojíme kostru a signál ze snímače (vývody 3 a 2). Pokud je na zapalovací cívce jiskra, lze konstatovat, že snímač SBZ ztratil svůj výkon a je třeba jej vyměnit.
Vezměte prosím na vědomí, že pro detekci jiskření musí být vysokonapěťové vedení blízko země.
- Pro kontrolu použijte multimetr. Toto je nejznámější metoda a je popsána v návodu k vozidlu. Je nutné připojit sondy zařízení, jak je znázorněno na obrázku 7, a změřit napětí.
Na funkčním snímači bude napětí kolísat v rozsahu od 0,4 do 11 voltů (nezapomeňte nastavit multimetr do režimu měření DC). Je třeba poznamenat, že kontrola pomocí osciloskopu bude mnohem efektivnější. Připojuje se stejným způsobem jako multimetr. Příklad oscilogramu pracovního HH je uveden níže.
- Instalace vědomě pracujícího HH. Pokud je k dispozici jiný senzor stejného typu, nebo je možné jej na chvíli vzít, pak tato možnost také existuje, zvláště pokud jsou první dva obtížně proveditelné.
Existuje další verze kontroly, která je v principu podobná druhé metodě. To může být užitečné, pokud nejsou po ruce žádné měřicí přístroje. Pro testování potřebujete odpor 1,0 kΩ, LED diodu například ze zapalovače a několik vodičů. Z celé této sady sestavíme zařízení podle obrázku 9.
