Hallův senzor: Jak testovat Hallův senzor, jak funguje a k čemu slouží

Senzory – převodníky jedné fyzikální veličiny na jinou (zpravidla elektrickou) jsou rozšířeny v domácích a průmyslových zařízeních. Bez nich je velmi obtížné, ne-li nemožné, měřit, digitalizovat a zpracovávat technologické parametry, jako je tlak a průtok (plyn nebo kapalina), teplota, hladina, intenzita magnetického nebo elektrického pole atd. Jedním z hojně využívaných senzorů je Hallův senzor – používají se jak v každodenním životě (počínaje chytrými telefony či notebooky), tak v nejsložitějších průmyslových zařízeních.

Hallův jev – princip činnosti

Tento efekt objevil v roce 1879 americký fyzik Edwin Hall a pojmenoval jej po něm. Podstata jevu spočívá v tom, že pokud vezmete kovovou desku a propustíte jí elektrický proud (ve směru AB na obrázku), a pak na desku působíte magnetickým polem, například vytvořeným permanentním magnetem, pak ve směru kolmém na průchod proudu (CD na obrázku ) vznikne potenciálový rozdíl.

Tento efekt nastává v důsledku Lorentzovy síly působící na pohybující se náboje a jejich přemísťování ve směru kolmém ke směru pohybu. V důsledku toho vzniká na okrajích desky potenciálový rozdíl, který lze změřit nebo použít k ovládání aktuátorů (předzesílený). Tento rozdíl závisí:

• na síle protékajícího proudu;
• na síle magnetického pole;
• na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči.

Jev je pojmenován po svém objeviteli – Hallův jev.

Typy a provedení Hallových snímačů

Efekt objevený již v předminulém století našel praktické uplatnění. Na jeho základě jsou postaveny snímače magnetického pole. Jejich výhodou je, že nemají pohyblivé ani třecí prvky (na rozdíl od jazýčkových spínačů), takže jejich spolehlivost je mnohem vyšší. Na základě principu citlivosti se průmyslové Hallovy senzory dělí na:

• unipolární (reagují pouze na jeden magnetický pól – severní nebo jižní);
• bipolární (zapnout při vystavení magnetickému poli jedné polarity, vypnout při vystavení magnetickému poli opačné polarity);
• omnipolární – reagují na libovolné póly magnetů.

Čtěte také: Co je to atenuátor, jak funguje a kde se používá

Potenciální rozdíl vzniklý působením magnetického pole na pohybující se náboje činí jednotky, v nejlepším případě desítky mikrovoltů. Pro praktickou aplikaci to nestačí; Tyto zesilovače jsou zabudovány přímo do pouzdra snímače a zařízení jsou rozdělena do dvou tříd podle typu zesilovače.

1. Analogový. V nich je napětí na výstupu snímače úměrné magnetickému poli (v závislosti na síle magnetu a vzdálenosti od něj). Postaveno na bázi operačního zesilovače a slouží k měření magnetických polí.
2. Digitální. Po zesilovači je instalován komparátor nebo Schmittova spoušť. Výstupní napětí, když magnetická indukce dosáhne určitého prahu, se náhle změní z nuly na vysokou úroveň (obvykle na úroveň napájecího napětí). Takové senzory se používají ke konstrukci magnetických relé nebo generátorů impulsů. Zesílený signál z desky je přiváděn do prahového zařízení. Po dosažení nastavené úrovně se senzor spustí. Úroveň spouštění lze upravit změnou vzdálenosti od snímače ke zdroji magnetického pole.

Aplikace Hallova senzoru

Nejběžnější aplikací Hallova senzoru v každodenním životě jsou bezkontaktní zapalovací systémy automobilů. Jejich výhodou je absence mechanických kontaktních skupin. To znamená žádné opotřebení, žádné spálení kontaktů, žádné riziko mechanického selhání.

Rozvodný systém obsahuje desku s výstupky poháněnou klikovou hřídelí motoru, permanentní magnet a samotný Hallův snímač. Když se deska otáčí, výstupky v přesně definovaném okamžiku, určeném polohou klikového hřídele, spadají do mezery mezi snímačem a magnetem a mění parametry magnetického pole. Snímač generuje impulsy synchronizované s otáčením klikového hřídele, které regulují přívod napětí do vysokonapěťové cívky v požadovaných časech. Také snímače magnetického pole v autě se používají k rozpoznání polohy klikového hřídele.

Dalším využitím magneticky citlivých senzorů je určování polohy rotorů elektromotorů. Reléový prvek je namontován na statoru motoru a je aktivován při průchodu pólu. Na tomto principu můžete postavit otáčkoměr nebo rychloměr.

Zařízení založená na Hallově jevu se používají v notebookech nebo mobilních zařízeních – jako indikátor zavřené polohy víka. Když je senzor aktivován, počítač přejde do režimu spánku nebo se vypne. A v chytrých telefonech je jednou z funkcí senzoru, který reaguje na magnetické pole Země, organizovat provoz elektronického kompasu.

Analogové Hallovy snímače se používají v měřicích přístrojích – tam, kde je potřeba vyhodnocovat úroveň magnetického pole. Jsou nepostradatelné pro bezdotykové měření síly proudu ve vodiči. Jak víte, když proud prochází vodičem, objeví se kolem něj magnetické pole. Jeho intenzita závisí na síle proudu. Pokud je proud střídavý, pak lze pole měřit i jinak (například proudovým transformátorem), ale se stejnosměrným proudem se bez Hallova senzoru neobejdete. Na tomto principu fungují stejnosměrné proudové kleště.

Nejexotičtější aplikací Hallova jevu je konstrukce iontových raketových motorů na jeho principu.

Jak zkontrolovat funkčnost Hallova čidla

Pro kontrolu senzoru můžete sestavit jednoduchý obvod, pro který budete kromě samotného senzoru potřebovat:

• napájení pro požadované napětí;
• rezistor s odporem asi 1 kOhm;
• Světelná dioda;
• magnet.

Pokud není žádná LED, můžete místo ní (a rezistoru omezujícího proud) použít multimetr (digitální nebo ukazatel) v režimu měření napětí.

Neexistují žádné zvláštní požadavky na zdroj energie – proudy v obvodu jsou velmi malé. Jeho napětí musí být v rozmezí napájecího napětí testovaného snímače. LED je spojena anodou s plusem zdroje napětí a katodou s výstupem testovaného zařízení, protože snímač je obvykle vyroben s otevřeným kolektorem (ale je lepší si to ověřit v datasheetu).

Postup testu závisí na typu testovaného zařízení.

1. Chcete-li zkontrolovat unipolární digitální snímač, musíte k němu přivést magnet s jedním pólem. LED by se měla rozsvítit (ukazatel ukazatele voltmetru se odchyluje nebo se hodnoty digitálního testeru náhle změní). Když je magnet odstraněn na značnou vzdálenost, obvod by se měl vrátit do své původní polohy. Pokud snímač nefunguje, musíte magnet otočit druhým pólem a postup opakovat. Pokud LED dioda bliká, znamená to, že senzor funguje. Pokud nebylo dosaženo úspěchu v žádné poloze magnetu, je zařízení nepoužitelné.
2. Obdobnou metodou je testován bipolární digitální snímač, pouze LED svítí na jedné pozici magnetu a nezhasne, když je zdroj magnetického pole odstraněn. Obvod by neměl reagovat na další manipulace se stejným pólem. Pokud magnet otočíte a přivedete k senzoru v opačné polaritě, LED by měla zhasnout. Označuje provozuschopnost testovaného zařízení. Pokud obvod nefunguje správně, senzor selhal.
3. Všepolární digitální Hallův senzor se testuje stejným způsobem jako unipolární, ale magneticky citlivé zařízení musí pracovat v jakékoli poloze magnetu.

Analogové snímače se testují stejnou metodou jako digitální, ale výstupní napětí by se nemělo měnit prudce, ale plynule s nárůstem magnetické síly (například přiblížením permanentního magnetu nebo zvýšením proudu ve vinutí elektromagnetu).

Z praktického hlediska je zajímavá otázka, jak zkontrolovat Hallův senzor nainstalovaný v bezkontaktním zapalovacím systému automobilu. Chcete-li to provést, musíte vyjmout konektor ze snímače a sestavit naznačený obvod přímo na piny.

Zde lze LED také nahradit multimetrem. Při ručním otáčení klikové hřídele vozu můžete pozorovat periodické blikání LED nebo změny výstupního napětí od nuly až po přibližně palubní napětí vozu. Alternativní způsob kontroly v garáži je dočasně vyměnit zařízení za náhradní snímač, o kterém je známo, že je dobrý.

Hallův senzor našel široké uplatnění v domácích a průmyslových spotřebičích. Není těžké zkontrolovat jeho provozuschopnost, pokud rozumíte principu jeho fungování.

Snímače hladiny: typy, charakteristiky, doporučení pro výběr

Přehled protokolů moderní průmyslové automatizace – Modbus, Profinet, EtherCAT atd.

Magnetické pole: zdroje, vlastnosti, charakteristiky a aplikace

Co je to indukční snímač přiblížení, jeho konstrukce a princip činnosti

Jak připojit a nakonfigurovat snímač pohybu pro ovládání osvětlení: schémata elektrického zapojení a konfigurace snímače

Typy snímačů teploty: termistory, termočlánky, odporové teploměry, analogové a digitální snímače