Snímače proudu Hallovým jevem: Konstrukce, princip činnosti, typy a aplikace

Tento článek poskytuje přehled moderních snímačů proudu s Hallovým jevem, jejich konstrukci a provoz.

Hallův jev je fyzikální jev objevený Edwinem Hallem v roce 1879, podle kterého při působení magnetického pole kolmo na tok elektrického proudu vzniká ve vodiči potenciálový rozdíl.

Senzory proudu s Hallovým efektem se používají k měření a řízení množství elektrického proudu v různých aplikacích. Tento článek pojednává o součástech a zařízeních snímačů proudu Hallova jevu a o tom, jak fungují.

Jednat proaktivně je vždy lepší než reagovat pod časovým tlakem. Toto pravidlo platí i pro údržbu průmyslových zařízení a systémů.

Proudová čidla mohou také významně přispět k proaktivní akci v závislosti na stavu zařízení. Protože možná slabá místa vedoucí k možnému selhání komponentu lze často včas rozpoznat na základě aktuální spotřeby.

Výrobci elektrických strojů stále častěji využívají proudové senzory k získání podrobných informací o svých zařízeních. Proudové senzory využívající Hallův jev jsou zvláště vhodné pro měření velkých proudů v průmyslovém prostředí.

Jak jsou navrženy a fungují snímače proudu Hallova jevu

Hallův snímač, Hallův článek, Hallův generátor nebo magnetický snímač je elektronická součástka, jejíž činnost je založena na technickém využití tzv. Hallova jevu.

Magnetické senzory jsou obecně polovodičová zařízení, která jsou dnes velmi žádaná kvůli jejich vysoké přesnosti a přesnosti, bezkontaktnímu provozu, relativně nízkým nákladům na údržbu, kompaktnímu designu atd.

Bezjádrové magnetické snímače jsou k dispozici pro různé průmyslové aplikace, například uzavřená zařízení s Hallovým efektem jsou vodotěsná a odolají jakýmkoli vibracím.

Senzory s Hallovým jevem se používají k měření magnetických polí nebo jiných veličin (například vysokých proudů – od 0,5 do 10 kA) převáděných na magnetická pole, řídí synchronní elektromotory, stejnosměrné elektromotory (například ve ventilátorech počítačů).

Používají se také v návrzích různých mechanických snímačů polohy, rychlosti, zrychlení, bezkontaktních tlačítek atd., kde je na pohyblivé části umístěn permanentní magnet (viz – Aplikace Hallových snímačů).

Senzor Hallova efektu funguje hlavně díky Lorentzově síle.

Princip činnosti Hallova senzoru

Samotný Hallův prvek je vlastně senzor, konkrétně senzor magnetického pole. Ve spojení s vyhodnocovací elektronikou, která nejen zesiluje, upravuje a standardizuje výsledné Hallovo napětí, ale také reguluje a stabilizuje napájecí napětí stejnosměrného generujícího prvku, vzniká kompletní snímač.

Udržení konstantního proudu je hlavní podmínkou pro zajištění toho, aby se změna Hallova napětí rovnala pouze změně velikosti indukce magnetického pole.

Hallovy senzory se obvykle skládají z pravoúhlého kusu polovodiče, jako je stibnit india (InSb) nebo arsenid galia (GaAs), známý jako Hallův senzor, namontovaný na hliníkové desce a zcela uzavřený v hlavě senzoru.

K hlavici sondy je připojena rukojeť sondy z nemagnetického materiálu tak, aby rovina obdélníkového polovodičového plátku byla kolmá k rukojeti sondy.

Přesnost měření závisí na základním principu: u Hallových senzorů je magnetické pole primárního proudu seskupeno v prstencovém jádru obklopujícím vodič.

Kruhové jádro má vzduchovou mezeru, ve které je umístěn snímač. Hallův snímač vytváří napětí přímo úměrné protékajícímu proudu. Tímto způsobem lze určit primární proud s přesností ±0,5 %.

Nepřímo kompenzované proudové snímače (Closed Loop) mají podobnou konstrukci, ale snímají proud o něco přesněji. Odchylka 0,5 % od skutečné hodnoty je zde maximální hodnota.

Tyto senzory také pracují s prstencovým jádrem, které vytváří Hallovo napětí. Napětí se zde však neměří přímo, ale slouží k regulaci sekundárního proudového obvodu.

Hallův snímač reguluje tok sekundárního proudu tak, aby se magnetická pole sekundárního a primárního proudu vždy navzájem rušila.

Sekundární proud současně vytváří výstupní signál. Tento typ snímače má tu výhodu, že měří velmi přesně i při extrémních teplotách okolí od -40 °C do +85 °C.

Moderní proudové senzory

Hallův jev je v současnosti jedním z nejčastěji používaných fyzikálních principů, a to jak přímo pro potřeby měření a záznamu magnetického pole, tak pro potřeby bezkontaktního sledování a zjišťování přítomnosti objektů.

Vzhledem k dostatečně vysokému Hallovu jevu křemíkového polovodičového materiálu lze snadno vytvořit plně integrované jednočipové snímače obsahující jak samotný Hallův prvek, tak vyhodnocovací obvody nebo dokonce mikroprocesor. Všechny tyto skutečnosti poskytují Hallovým senzorům jistou budoucnost.

Lepší energetická bilance díky senzorům

Použití proudových snímačů umožňuje chyby či poruchy přesně analyzovat dříve, než se jejich důsledky projeví ve výrobě v podobě kvalitativních vad, prostojů nebo v krajním případě i vad s následnými škodami (pracovní úrazy apod.).

Proudové snímače poskytují klasický analogový signál, který např. mikrokontrolér s frekvenčním měničem převádí na digitální signály a lze jej tak použít pro záznam stavu vyšší úrovně.

Použití proudových snímačů má smysl především tam, kde se používají pohony nebo kde je potřeba hlídat topné proudy, například u zařízení na ohřev surovin pro vytlačovací stroje.

Pokud například tavicí pec správně neudržuje požadovanou teplotu, přímo to ovlivní kvalitu produktu. Odchylka od aktuální spotřeby okamžitě upozorní systém správy zařízení na poruchy v těchto aplikacích. Cílené použití senzorů následně přispívá ke zvýšení spolehlivosti celého systému.

Porovnání parametrů různých proudových snímačů

Necitlivé na elektrická rušivá pole

Přesné měření energie podporuje hospodárný provoz strojů a zařízení. Snímače s Hallovým jevem mají tu výhodu, že jejich elektronické součástky jsou necitlivé na elektrická rušivá pole. To je důležité, protože miniaturizace znamená, že vodiče ve strojích a zařízeních vedou blíže k sobě, a proto teoreticky zvyšují rušivé efekty.

Další vodiče mohou ovlivnit detekovaná rušivá pole a zkreslit výsledky. Proto jsou Hallovy senzory zabudovány hluboko do geometrie dotykového kroužku, aby je chránily před „vnějšími“ vlivy.

Bez vlastní filtrační funkce indikují v určitém poměru množství proudu v vodičích, které obklopují. Například v poměru 1:500, kdy ze snímače vychází proud 200 mA, když ve vodiči protéká 1000 A.

Přenosný proudový senzor

Měření proudu zvyšuje bezpečnost

Proudové snímače jsou prvkem preventivní údržby. V automatizované výrobě programy vyhodnocují aktuální signály toku v reálném čase, aby detekovaly rané typy defektů a určily jejich příčiny.

Tímto způsobem lze předem upozornit na nezbytné kontroly a opatření údržby. Do výrobního procesu pak lze začlenit vhodná opatření, aby byla přerušení výroby omezena na nezbytně nutné minimum.

Cílem je předcházet časově náročným, a tedy nákladným opravám, a zlepšit produktivitu a bezpečnost tím, že se zajistí, že údržba bude prováděna podle plánu.

Klešťový měřič Hallova efektu

Klešťový měřič je elektrický tester, který kombinuje klešťový voltmetr a klešťový ampérmetr. Moderní klešťové měřiče mají většinu základních funkcí digitálního multimetru, ale s přidanou výhodou proudového senzoru zabudovaného do měřiče. Měří libovolnou kombinaci stejnosměrného a střídavého proudu.

Schopnost klešťového měřiče měřit velké střídavé proudy je založena na jednoduché činnosti transformátoru. Když je vodič pod napětím umístěn uvnitř svorky nebo kolem ohebné sondy, proud reaguje se svorkami podobným způsobem jako železné jádro transformátoru a prochází sekundárním vinutím do měřiče.

Měří stejnosměrný proud pomocí Hallových senzorů. Na rozdíl od jednoduchého indukčního senzoru funguje Hallův senzor, když je aplikovaný magnetický tok statický a nemění se. Bude fungovat i ve střídavých magnetických polích.

Snímač proudu s Hallovým jevem v elektrické svorce (Vlevo: AC svorka s proudovým transformátorem je pevně uzavřena. Vpravo: snímač je zabudován do vzduchové mezery mezi čelistmi svorky Hallova snímače)

Proudové kleště obsahují toroidní železné jádro, na jehož koncích je čip se snímačem Hallova jevu, takže jím prochází magnetický tok vytvořený vodičem s proudem.

Klešťové měřiče s Hallovým efektem mohou měřit střídavý a stejnosměrný proud v rozsahu až kilohertz (1000 Hz). Používají tuhé železné svorky k zaostření magnetického pole kolem měřeného vodiče.

Na rozdíl od svorek proudových transformátorů nejsou svorky obaleny měděnými dráty. Místo toho, když jsou čelisti upnuty kolem vodiče, magnetické pole generované vodičem je zaměřeno na jednu nebo více štěrbin v jádru.

Mezera je místo, kde se hroty kleští proudové kleště setkávají s Hallovým senzorem a vytváří vzduchovou kapsu, kterou musí magnetické pole (magnetický tok) překonat. Tato mezera omezuje magnetický tok, takže jádro se nemůže nasytit. V této mezeře je umístěn Hallův snímač překrytý tenkým plastovým těsněním.

Vzhledem ke konstantnímu magnetickému poli Země a možnosti dalších magnetických polí v blízkosti místa měření vyžadují tyto měřiče před měřením „vynulování“ odečtů, aby se eliminovaly nepřesnosti.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti:

Vyberte si vhodný formát a témata!