Vad är hall-effekt och hur hall-effektsensorer fungerar
I den här handledningen lär vi oss vad hall-effekt är och hur hall-effektsensorer fungerar. Du kan titta på följande video eller läsa den skriftliga handledningen nedan.
Hall-effekten är den vanligaste metoden för att mäta magnetfält och Hall-effekt-sensorerna är mycket populära och har många samtida tillämpningar. De finns till exempel i fordon som hjulhastighetssensorer samt sensorer för vevaxel- eller kamaxelposition. De används också ofta som strömbrytare, MEMS-kompasser, närhetssensorer och så vidare. Nu ska vi gå igenom några av dessa sensorer och se hur de fungerar, men först ska vi förklara vad Hall-effekten är.
Vad är Hall-effekten?
Här är experimentet som förklarar Hall-effekten: Om vi har en tunn ledande platta, som illustrerat, och vi ställer in strömmen för att flöda genom den, så kommer laddningsbärarna att flöda i en rak linje från den ena till den andra sidan av plattan.
Om vi nu för ett magnetfält i närheten av plattan skulle vi störa laddningsbärarnas raka flöde på grund av en kraft som kallas Lorentzkraft (Wikipedia). I ett sådant fall skulle elektronerna avledas till ena sidan av plattan och de positiva hålen till andra sidan av plattan. Detta innebär att om vi nu placerar en mätare mellan de två andra sidorna kommer vi att få en viss spänning som kan mätas.
Så effekten av att få en mätbar spänning, som vi förklarade ovan, kallas Hall-effekten efter Edwin Hall som upptäckte den 1879.
Halleffektsensorer
Det grundläggande hallelementet i magnetiska sensorer med hall-effekt ger för det mesta en mycket liten spänning på endast några mikrovolt per Gauss, så därför tillverkas dessa enheter vanligtvis med inbyggda förstärkare med hög förstärkning.
Det finns två typer av Hall Effect-sensorer, varav den ena ger analog och den andra digital utgång. Den analoga sensorn består av en spänningsregulator, ett hallelement och en förstärkare. Från kretsschemat kan vi se att sensorns utgång är analog och proportionell mot Hallelementets utgång eller magnetfältsstyrkan. Denna typ av sensorer är lämpliga och används för att mäta närhet på grund av deras kontinuerliga linjära utgång.
Å andra sidan ger sensorerna med digital utgång endast två utgångstillstånd, antingen ”ON” eller ”OFF”. Den här typen av sensorer har ytterligare ett element, vilket illustreras i kretsschemat. Det är Schmitt-triggern som ger hysteres eller två olika tröskelnivåer så att utgången antingen är hög eller låg. Om du vill veta mer om hur Schmitt-triggern fungerar kan du läsa min särskilda handledning om detta.
Ett exempel på denna typ av sensor är Hall-effektbrytaren. De används ofta som gränslägesbrytare, till exempel i 3D-skrivare och CNC-maskiner, samt för detektering och positionering i industriella automationssystem.
Andra samtida användningsområden för hall-effektsensorer är mätning av hjul- eller rotorns hastighet eller varvtal, samt bestämning av vevaxelns eller kamaxelns position i motorsystem. Dessa sensorer består av ett Hallelement och en permanentmagnet som placeras nära en tandskiva som är fäst på den roterande axeln.
Gapet mellan sensorn och skivans tänder är mycket litet, så varje gång en tand passerar nära sensorn förändras det omgivande magnetfältet, vilket gör att sensorns utdata blir antingen hög eller låg. Sensorns utgång är alltså en fyrkantssignal som lätt kan användas för att beräkna den roterande axelns varvtal.