Τι είναι ο αισθητήρας Hall: αρχή λειτουργίας, συσκευή και μέθοδοι δοκιμής απόδοσης

Αισθητήρες - μετατροπείς μιας φυσικής ποσότητας σε άλλη (συνήθως, σε ηλεκτρικό) χρησιμοποιούνται ευρέως σε οικιακό και βιομηχανικό εξοπλισμό. Χωρίς αυτά, είναι πολύ δύσκολο, αν όχι αδύνατο, η μέτρηση, η ψηφιοποίηση και η επεξεργασία τεχνολογικών παραμέτρων όπως η πίεση και η ροή (αέριο ή υγρό), θερμοκρασία, επίπεδο, ένταση μαγνητικού ή ηλεκτρικού πεδίου κ.λπ. Ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους αισθητήρες είναι ο αισθητήρας Hall - χρησιμοποιούνται τόσο στην καθημερινή ζωή (ξεκινώντας από smartphone ή φορητούς υπολογιστές), όσο και στην πιο περίπλοκη βιομηχανική τεχνολογία.

Εφέ Hall - αρχή λειτουργίας

Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1879 από τον Αμερικανό φυσικό Έντουιν Χολ και πήρε το όνομά του.Η ουσία του φαινομένου είναι ότι εάν πάρετε μια μεταλλική πλάκα και περάσετε ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτήν (προς την κατεύθυνση ΑΒ στο σχήμα) και στη συνέχεια ενεργήσετε στην πλάκα με ένα μαγνητικό πεδίο, για παράδειγμα, που δημιουργείται από έναν μόνιμο μαγνήτη, τότε στην κατεύθυνση κάθετη στη διέλευση του ρεύματος (CD στο σχήμα ), θα υπάρχει διαφορά δυναμικού.

Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της δύναμης Lorentz που ενεργεί στα κινούμενα φορτία και τα μετατοπίζει σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια διαφορά δυναμικού στα άκρα της πλάκας, η οποία μπορεί να μετρηθεί ή να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενεργοποιητών (προενίσχυση). Αυτή η διαφορά εξαρτάται από:

• από την ισχύ του ρεύματος που ρέει.
• από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου.
• σχετικά με τη συγκέντρωση ελεύθερων φορέων φορτίου στον αγωγό.

Το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον ανακάλυπτό του - το φαινόμενο Hall.

Τύποι και διάταξη αισθητήρων Hall

Το αποτέλεσμα, που ανακαλύφθηκε τον προηγούμενο αιώνα, βρήκε πρακτική εφαρμογή. Με βάση αυτό κατασκευάζονται αισθητήρες μαγνητικού πεδίου. Το πλεονέκτημά τους είναι ότι δεν έχουν στοιχεία κίνησης και τριβής (σε αντίθεση με τους διακόπτες καλαμιού), άρα η αξιοπιστία τους είναι πολύ μεγαλύτερη. Σύμφωνα με την αρχή της ευαισθησίας βιομηχανικοί αισθητήρες Οι αίθουσες χωρίζονται σε:

• μονοπολικό (αντιδρούν μόνο σε έναν μαγνητικό πόλο - βόρεια ή νότια).
• διπολικό (ενεργοποιείται όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο μιας πολικότητας, απενεργοποιείται όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο αντίθετης πολικότητας).
• omnipolar - αντιδρούν σε τυχόν πόλους μαγνητών.

Η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από τη δράση ενός μαγνητικού πεδίου στα κινούμενα φορτία είναι μονάδες, στην καλύτερη περίπτωση δεκάδες μικροβολτ. Για πρακτική εφαρμογή, αυτό δεν αρκεί, η διαφορά δυναμικού πρέπει να αυξηθεί. Αυτοί οι ενισχυτές είναι ενσωματωμένοι απευθείας στο σώμα των αισθητήρων και ανάλογα με τον τύπο του ενισχυτή, οι συσκευές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες.

1. Αναλογικό. Σε αυτά, η τάση στην έξοδο του αισθητήρα είναι ανάλογη με το μαγνητικό πεδίο (εξαρτάται από την ισχύ του μαγνήτη και την απόσταση από αυτόν). Κατασκευασμένο με βάση έναν λειτουργικό ενισχυτή και χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων.
2. Ψηφιακό. Μετά την εγκατάσταση του ενισχυτή συγκριτής ή σκανδάλη Schmitt. Η τάση εξόδου, όταν η μαγνητική επαγωγή φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, πηδά από το μηδέν σε ένα υψηλό επίπεδο (συνήθως στο επίπεδο τάσης τροφοδοσίας). Τέτοιοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών ρελέ ή γεννητριών παλμών. Το ενισχυμένο σήμα από την πλάκα εφαρμόζεται στη συσκευή κατωφλίου. Όταν επιτευχθεί το καθορισμένο επίπεδο, ενεργοποιείται ο αισθητήρας. Το επίπεδο σκανδάλης μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας την απόσταση από τον αισθητήρα μέχρι την πηγή του μαγνητικού πεδίου.

Εφαρμογή αισθητήρων Hall

Η πιο κοινή εφαρμογή του αισθητήρα Hall στην καθημερινή ζωή είναι τα συστήματα ανάφλεξης αυτοκινήτου χωρίς επαφή. Το πλεονέκτημά τους είναι η απουσία μηχανικών ομάδων επαφής. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει φθορά, καμία καύση των επαφών, κανένας κίνδυνος μηχανικής βλάβης.

Το σύστημα διανομής περιλαμβάνει μια πλάκα με προεξοχές που κινούνται από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα, έναν μόνιμο μαγνήτη και τον ίδιο τον αισθητήρα Hall. Όταν η πλάκα περιστρέφεται, οι προεξοχές σε μια αυστηρά καθορισμένη στιγμή, που καθορίζεται από τη θέση του στροφαλοφόρου άξονα, πέφτουν στο κενό μεταξύ του αισθητήρα και του μαγνήτη, αλλάζοντας τις παραμέτρους του μαγνητικού πεδίου.Ο αισθητήρας παράγει παλμούς συγχρονισμένους με την περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα, οι οποίοι ρυθμίζουν την παροχή τάσης στο πηνίο υψηλής τάσης στα απαιτούμενα χρονικά σημεία. Επίσης, αισθητήρες μαγνητικού πεδίου στο αυτοκίνητο χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση της θέσης του στροφαλοφόρου άξονα.

Μια άλλη χρήση των μαγνητικά ευαίσθητων αισθητήρων είναι ο προσδιορισμός της θέσης των ρότορων των ηλεκτροκινητήρων. Το στοιχείο ρελέ είναι τοποθετημένο στον στάτορα του κινητήρα και ενεργοποιείται όταν περάσει ο πόλος. Βάσει αυτής της αρχής, μπορείτε να δημιουργήσετε έναν στροφόμετρο ή έναν ταχύμετρο.

Οι συσκευές που είναι κατασκευασμένες στο εφέ Hall χρησιμοποιούνται σε φορητούς υπολογιστές ή φορητές συσκευές - ως ένδειξη της κλειστής θέσης του καπακιού. Όταν ενεργοποιείται ο αισθητήρας, ο υπολογιστής τίθεται σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας ή τερματίζεται. Και στα smartphone, μία από τις λειτουργίες του αισθητήρα που ανταποκρίνεται στο μαγνητικό πεδίο της Γης είναι η οργάνωση της ηλεκτρονικής πυξίδας.

Οι αναλογικοί αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται σε όργανα μέτρησης - όπου είναι απαραίτητο να εκτιμηθεί το επίπεδο του μαγνητικού πεδίου. Είναι απαραίτητα για τη μέτρηση της ισχύος ρεύματος χωρίς επαφή σε έναν αγωγό. Όπως γνωρίζετε, όταν το ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του. Η έντασή του εξαρτάται από την ισχύ του ρεύματος. Εάν το ρεύμα είναι εναλλασσόμενο, τότε το πεδίο μπορεί να μετρηθεί με άλλους τρόπους (για παράδειγμα, με μετασχηματιστή ρεύματος), αλλά με συνεχές ρεύμα, ένας αισθητήρας Hall είναι απαραίτητος. Οι σφιγκτήρες ρεύματος συνεχούς ρεύματος λειτουργούν με αυτήν την αρχή.

Η πιο εξωτική εφαρμογή του φαινομένου Hall είναι η κατασκευή κινητήρων πυραύλων ιόντων βάσει της αρχής του.

Πώς να ελέγξετε τον αισθητήρα Hall για απόδοση

Για να ελέγξετε τον αισθητήρα, μπορείτε να συναρμολογήσετε ένα απλό κύκλωμα, για το οποίο, εκτός από τον ίδιο τον αισθητήρα, θα χρειαστείτε:

• τροφοδοτικό για την επιθυμητή τάση.
• αντίσταση με αντίσταση περίπου 1 kOhm.
• Δίοδος εκπομπής φωτός;
• μαγνήτης.

Εάν δεν υπάρχει LED, τότε αντί για αυτό (και την αντίσταση περιορισμού ρεύματος) μπορείτε χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο (ψηφιακό ή δείκτη) σε λειτουργία μέτρησης τάσης.

Δεν υπάρχουν ειδικές απαιτήσεις για την παροχή ρεύματος - τα ρεύματα στο κύκλωμα είναι πολύ μικρά. Η τάση του πρέπει να είναι εντός της τάσης τροφοδοσίας του υπό δοκιμή αισθητήρα. Το LED συνδέεται με την άνοδο στο συν της πηγής τάσης, την κάθοδο στην έξοδο της υπό δοκιμή συσκευής, αφού ο αισθητήρας συνήθως κατασκευάζεται με ανοιχτό συλλέκτη (αλλά είναι καλύτερο να το ελέγξετε στο φύλλο δεδομένων).

Η διαδικασία δοκιμής εξαρτάται από τον τύπο της υπό δοκιμή συσκευής.

1. Για να δοκιμάσετε έναν μονοπολικό ψηφιακό αισθητήρα, πρέπει να φέρετε έναν μαγνήτη σε αυτόν με έναν πόλο. Η λυχνία LED πρέπει να ανάψει (το βέλος του δείκτη του βολτόμετρου αποκλίνει ή οι ενδείξεις του ψηφιακού ελεγκτή αλλάζουν απότομα). Όταν ο μαγνήτης αφαιρεθεί σε μεγάλη απόσταση, το κύκλωμα θα πρέπει να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Εάν ο αισθητήρας δεν λειτουργεί, είναι απαραίτητο να γυρίσετε τον μαγνήτη με τον άλλο πόλο και να επαναλάβετε τη διαδικασία. Εάν το LED αναβοσβήνει, τότε ο αισθητήρας λειτουργεί. Εάν δεν επιτευχθεί επιτυχία σε οποιαδήποτε θέση του μαγνήτη, η συσκευή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
2. Ένας διπολικός ψηφιακός αισθητήρας ελέγχεται χρησιμοποιώντας παρόμοια τεχνική, μόνο το LED ανάβει σε μια θέση του μαγνήτη και δεν σβήνει όταν αφαιρεθεί η πηγή μαγνητικού πεδίου. Το κύκλωμα δεν πρέπει να αντιδρά σε περαιτέρω χειρισμούς με τον ίδιο πόλο. Εάν γυρίσετε τον μαγνήτη και τον φέρετε στον αισθητήρα με αντίθετη πολικότητα, το LED θα πρέπει να σβήσει. Αυτό υποδεικνύει την υγεία της υπό δοκιμή συσκευής.Εάν το κύκλωμα δεν λειτουργεί, τότε ο αισθητήρας είναι εκτός λειτουργίας.
3. Ένας πολυπολικός ψηφιακός αισθητήρας Hall δοκιμάζεται με τον ίδιο τρόπο όπως ένας μονοπολικός, αλλά η μαγνητικά ευαίσθητη συσκευή θα πρέπει να λειτουργεί σε οποιαδήποτε θέση του μαγνήτη.

Οι αναλογικοί αισθητήρες ελέγχονται με τον ίδιο τρόπο όπως οι ψηφιακοί, αλλά η τάση εξόδου δεν πρέπει να αλλάζει απότομα, αλλά ομαλά καθώς αυξάνεται η μαγνητική δύναμη (για παράδειγμα, πλησιάζει ένας μόνιμος μαγνήτης ή αύξηση ρεύματος στην περιέλιξη του ηλεκτρομαγνήτη).

Από πρακτική άποψη, είναι ενδιαφέρον το ερώτημα πώς να ελέγξετε τον αισθητήρα Hall που είναι εγκατεστημένος στο σύστημα ανάφλεξης χωρίς επαφή ενός αυτοκινήτου. Για να το κάνετε αυτό, αφαιρέστε τη φίσα από τον αισθητήρα και συναρμολογήστε το υποδεικνυόμενο κύκλωμα απευθείας στις ακίδες.

Εδώ μπορείτε επίσης να αντικαταστήσετε το LED με ένα πολύμετρο. Περιστρέφοντας χειροκίνητα τον στροφαλοφόρο άξονα του αυτοκινήτου, μπορείτε να παρατηρήσετε περιοδικά αναβοσβήνεια της λυχνίας LED ή αλλαγές στην τάση εξόδου από το μηδέν σε περίπου την τάση του ηλεκτρικού συστήματος του αυτοκινήτου. Ένας εναλλακτικός τρόπος για έλεγχο σε γκαράζ είναι η προσωρινή αντικατάσταση της συσκευής με έναν γνωστό-καλό εφεδρικό αισθητήρα.

Ο αισθητήρας Hall έχει βρει ευρεία εφαρμογή σε οικιακό και βιομηχανικό εξοπλισμό. Δεν είναι δύσκολο να το ελέγξετε για τη δυνατότητα συντήρησης εάν υπάρχει κατανόηση της αρχής της λειτουργίας του.

Παρόμοια άρθρα: