Senzory - prevodníky jednej fyzikálnej veličiny na inú (zvyčajne na elektrické) sú široko používané v domácich a priemyselných zariadeniach. Bez nich je veľmi ťažké, ak nie nemožné, merať, digitalizovať a spracovať také technologické parametre ako tlak a prietok (plyn alebo kvapalina), teplota, hladina, intenzita magnetického alebo elektrického poľa atď. Jedným z najpoužívanejších snímačov je Hallov snímač - používajú sa ako v každodennom živote (počnúc smartfónmi alebo notebookmi), tak aj v najkomplexnejšej priemyselnej technike.
Obsah
Hallov efekt - princíp fungovania
Tento efekt objavil v roku 1879 americký fyzik Edwin Hall a pomenoval ho po ňom.Podstatou tohto javu je, že ak vezmete kovovú platňu a prejdete ňou elektrický prúd (na obrázku v smere AB) a potom na platňu pôsobíte magnetickým poľom, vytvoreným napríklad permanentným magnetom, potom v smere kolmom na prechod prúdu (CD na obrázku ) bude potenciálny rozdiel.
Tento efekt nastáva v dôsledku Lorentzovej sily, ktorá pôsobí na pohybujúce sa náboje a posúva ich v smere kolmom na smer pohybu. Výsledkom je, že na okrajoch dosky vzniká potenciálny rozdiel, ktorý je možné merať alebo použiť na spustenie akčných členov (predzosilnenie). Tento rozdiel závisí od:
- od sily pretekajúceho prúdu;
- od sily magnetického poľa;
- o koncentrácii voľných nosičov náboja vo vodiči.
Úkaz je pomenovaný po svojom objaviteľovi – Hallov efekt.
Typy a usporiadanie Hallových snímačov
Efekt objavený ešte v predminulom storočí našiel praktické uplatnenie. Na jej základe sú postavené snímače magnetického poľa. Ich výhodou je, že nemajú pohyblivé a trecie prvky (na rozdiel od jazýčkových spínačov), takže ich spoľahlivosť je oveľa vyššia. Podľa princípu citlivosti priemyselné senzory Haly sú rozdelené na:
- unipolárne (reagujú len na jeden magnetický pól – severný alebo južný);
- bipolárny (zapne sa, keď je vystavený magnetickému poľu jednej polarity, vypne sa, keď je vystavený magnetickému poľu opačnej polarity);
- omnipolárne - reagujú na akékoľvek póly magnetov.
Potenciálny rozdiel vytvorený pôsobením magnetického poľa na pohybujúce sa náboje je jednotiek, v lepšom prípade desiatok mikrovoltov. Pre praktickú aplikáciu to nestačí, treba zvýšiť potenciálny rozdiel. Tieto zosilňovače sú zabudované priamo v tele snímačov a podľa typu zosilňovača sa zariadenia delia do dvoch tried.
- Analógové. V nich je napätie na výstupe snímača úmerné magnetickému poľu (závisí od sily magnetu a vzdialenosti od neho). Postavené na báze operačného zosilňovača a používajú sa na meranie magnetických polí.
- digitálny. Po nainštalovaní zosilňovača komparátor alebo Schmittova spúšť. Výstupné napätie, keď magnetická indukcia dosiahne určitú hranicu, vyskočí z nuly na vysokú úroveň (zvyčajne na úroveň napájacieho napätia). Takéto snímače sa používajú na výrobu magnetických relé alebo generátorov impulzov. Zosilnený signál z platne sa aplikuje na prahové zariadenie. Po dosiahnutí nastavenej úrovne sa spustí senzor. Úroveň spúšťania je možné nastaviť zmenou vzdialenosti od snímača k zdroju magnetického poľa.
Aplikácia Hallových senzorov
Najbežnejšou aplikáciou Hallovho senzora v každodennom živote sú bezkontaktné zapaľovacie systémy automobilov. Ich výhodou je absencia mechanických kontaktných skupín. To znamená žiadne opotrebovanie, žiadne spálenie kontaktov, žiadne riziko mechanického zlyhania.
Súčasťou rozvodového systému je doska s lištami poháňaná kľukovým hriadeľom motora, permanentný magnet a samotný Hallov snímač. Keď sa doska otáča, výstupky v presne definovanom okamihu, určenom polohou kľukového hriadeľa, spadnú do medzery medzi snímačom a magnetom, čím sa menia parametre magnetického poľa.Snímač generuje impulzy synchronizované s otáčaním kľukového hriadeľa, ktoré regulujú prívod napätia do vysokonapäťovej cievky v požadovaných časových bodoch. Tiež snímače magnetického poľa v aute sa používajú na rozpoznanie polohy kľukového hriadeľa.
Ďalším využitím magneticky citlivých snímačov je určovanie polohy rotorov elektromotorov. Reléový prvok je namontovaný na statore motora a aktivuje sa pri prechode pólu. Na tomto princípe si môžete postaviť otáčkomer alebo rýchlomer.
Zariadenia postavené na Hallovom efekte sa používajú v notebookoch alebo mobilných zariadeniach - ako indikátor zatvorenej polohy veka. Po spustení senzora počítač prejde do režimu spánku alebo sa vypne. A v smartfónoch je jednou z funkcií senzora, ktorý reaguje na magnetické pole Zeme, organizácia elektronického kompasu.
Analógové Hallove snímače sa používajú v meracích prístrojoch - kde je potrebné posúdiť úroveň magnetického poľa. Sú nevyhnutné pre bezkontaktné meranie sily prúdu vo vodiči. Ako viete, keď prúd prechádza vodičom, okolo neho vzniká magnetické pole. Jeho intenzita závisí od sily prúdu. Ak je prúd striedavý, pole možno merať aj inými spôsobmi (napríklad prúdovým transformátorom), ale pri jednosmernom prúde je Hallov snímač nevyhnutný. Na tomto princípe fungujú svorky jednosmerného prúdu.
Najexotickejšou aplikáciou Hallovho javu je konštrukcia iónových raketových motorov na jeho princípe.
Ako skontrolovať výkon Hallovho snímača
Na kontrolu snímača môžete zostaviť jednoduchý obvod, pre ktorý budete okrem samotného snímača potrebovať:
- napájanie pre požadované napätie;
- odpor s odporom asi 1 kOhm;
- Dióda vyžarujúca svetlo;
- magnet.
Ak nie je žiadna LED, potom namiesto nej (a odporu obmedzujúceho prúd) môžete použite multimeter (digitálny alebo ukazovateľ) v režime merania napätia.
Neexistujú žiadne špeciálne požiadavky na napájanie - prúdy v obvode sú veľmi malé. Jeho napätie musí byť v rámci napájacieho napätia testovaného snímača. LED je pripojená anódou k plusu zdroja napätia, katóda k výstupu testovaného zariadenia, keďže snímač sa zvyčajne vyrába s otvoreným kolektorom (ale je lepšie si to skontrolovať na technickom liste).
Postup testu závisí od typu testovaného zariadenia.
- Ak chcete otestovať unipolárny digitálny snímač, musíte k nemu priviesť magnet s jedným pólom. LED by sa mala rozsvietiť (šípka ukazovateľa voltmetra sa odchyľuje alebo hodnoty digitálneho testera sa náhle menia). Keď je magnet odstránený na značnú vzdialenosť, obvod by sa mal vrátiť do pôvodnej polohy. Ak snímač nefunguje, je potrebné magnet otočiť druhým pólom a postup zopakovať. Ak LED bliká, senzor funguje. Ak sa v žiadnej polohe magnetu nepodarilo dosiahnuť úspech, zariadenie je nepoužiteľné.
- Bipolárny digitálny senzor sa testuje pomocou podobnej techniky, iba LED sa rozsvieti na jednej pozícii magnetu a nezhasne, keď sa zdroj magnetického poľa odstráni. Obvod by nemal reagovať na ďalšie manipulácie s rovnakým pólom. Ak otočíte magnet a privediete ho k senzoru v opačnej polarite, LED by mala zhasnúť. To indikuje stav testovaného zariadenia.Ak obvod nefunguje, potom je snímač mimo prevádzky.
- Omnipolárny digitálny Hallov senzor sa testuje rovnakým spôsobom ako unipolárny, ale magneticky citlivé zariadenie by malo fungovať v akejkoľvek polohe magnetu.
Analógové snímače sa kontrolujú rovnakým spôsobom ako digitálne, ale výstupné napätie by sa nemalo meniť náhle, ale plynulo, keď sa magnetická sila zvyšuje (napríklad približovanie permanentného magnetu alebo zvýšenie prúdu vo vinutí elektromagnetu).
Z praktického hľadiska je zaujímavá otázka, ako skontrolovať Hallov snímač nainštalovaný v bezkontaktnom zapaľovacom systéme automobilu. Za týmto účelom odstráňte konektor zo snímača a namontujte uvedený obvod priamo na kolíky.
Tu môžete LED diódu nahradiť aj multimetrom. Ručným otáčaním kľukového hriadeľa automobilu môžete pozorovať periodické blikanie LED alebo zmeny výstupného napätia z nuly na približne napätie elektrického systému automobilu. Alternatívnym spôsobom kontroly v garáži je dočasná výmena zariadenia za náhradný snímač, o ktorom sa vie, že je dobrý.
Hallov senzor našiel široké uplatnenie v domácich a priemyselných zariadeniach. Nie je ťažké skontrolovať jeho použiteľnosť, ak je pochopený princíp jeho fungovania.
Podobné články:
