Czym jest efekt Halla i jak działają czujniki efektu Halla
W tym poradniku dowiemy się, czym jest efekt Halla i jak działają czujniki efektu Halla. Możesz obejrzeć poniższe wideo lub przeczytać pisemny przewodnik poniżej.
Efekt Halla jest najczęstszą metodą pomiaru pola magnetycznego, a czujniki efektu Halla są bardzo popularne i mają wiele współczesnych zastosowań. Na przykład, można je znaleźć w pojazdach jako czujniki prędkości kół, jak również czujniki położenia wału korbowego lub wałka rozrządu. Są one również często używane jako przełączniki, kompasy MEMS, czujniki zbliżeniowe i tak dalej. Teraz przejdziemy przez niektóre z tych czujników i zobaczymy jak działają, ale najpierw wyjaśnijmy co to jest efekt Halla.
Co to jest efekt Halla?
Oto eksperyment, który wyjaśnia efekt Halla: Jeśli mamy cienką płytkę przewodzącą, jak pokazano na rysunku, i ustawimy prąd na przepływ przez nią, nośniki ładunku będą płynąć w linii prostej od jednej do drugiej strony płytki.
Jeśli zbliżymy pole magnetyczne do płytki, zaburzymy prosty przepływ nośników ładunku z powodu siły, zwanej siłą Lorentza (Wikipedia). W takim przypadku elektrony odchyliłyby się na jedną stronę płytki, a dodatnie dziury na drugą stronę płytki. Oznacza to, że jeśli umieścimy teraz miernik pomiędzy dwoma pozostałymi stronami, otrzymamy pewne napięcie, które można zmierzyć.
Więc efekt otrzymania mierzalnego napięcia, jak wyjaśniliśmy powyżej, nazywany jest efektem Halla po Edwinie Hallu, który odkrył go w 1879 roku.
Czujniki z efektem Halla
Podstawowy element Halla czujników magnetycznych z efektem Halla dostarcza bardzo małe napięcie, tylko kilka mikrowoltów na Gaussa, dlatego urządzenia te są zazwyczaj produkowane z wbudowanymi wzmacniaczami o dużym wzmocnieniu.
Istnieją dwa typy czujników efektu Halla, jeden zapewniający wyjście analogowe, a drugi cyfrowe. Czujnik analogowy składa się z regulatora napięcia, elementu Halla i wzmacniacza. Ze schematu układu widać, że wyjście czujnika jest analogowe i proporcjonalne do wyjścia elementu Halla lub natężenia pola magnetycznego. Tego typu czujniki są odpowiednie i używane do pomiaru bliskości ze względu na ich ciągłe liniowe wyjście.
Z drugiej strony, czujniki z wyjściem cyfrowym zapewniają tylko dwa stany wyjścia, albo „ON” albo „OFF”. Tego typu czujniki posiadają dodatkowy element, jak pokazano na schemacie. Jest to wyzwalacz Schmitta, który zapewnia histerezę lub dwa różne poziomy progowe, dzięki czemu wyjście jest albo wysokie albo niskie. Więcej szczegółów na temat działania wyzwalacza Schmitta znajdziesz w moim poradniku.
Przykładem tego typu czujnika jest przełącznik z efektem Halla. Są one często używane jako wyłączniki krańcowe, na przykład w drukarkach 3D i maszynach CNC, jak również do wykrywania i pozycjonowania w systemach automatyki przemysłowej.
Inne współczesne zastosowania czujników hallotronowych to pomiar prędkości obrotowej koła/ wirnika lub RPM, jak również określanie pozycji wału korbowego lub wałka rozrządu w systemach silnikowych. Czujniki te składają się z elementu Halla i magnesu stałego, które są umieszczone w pobliżu tarczy zębatej zamocowanej na obracającym się wale.
Przestrzeń pomiędzy czujnikiem a zębami tarczy jest bardzo mała, więc za każdym razem, gdy ząb przechodzi w pobliżu czujnika, zmienia otaczające go pole magnetyczne, które spowoduje, że wyjście czujnika będzie wysokie lub niskie. Tak więc wyjściem czujnika jest sygnał fali kwadratowej, który może być łatwo wykorzystany do obliczenia obrotów wału obrotowego.