Senzor Hallovho efektu
Senzory s Hallovým efektom detekujú silu a smer magnetického poľa permanentného magnetu alebo elektromagnetu. Výstup Hallovho senzora je funkciou jeho magnetického poľa a dokáže detekovať pozitívne aj negatívne magnetické polia.
Pracovný princíp Hallovho senzora
Vonkajšie magnetické pole aktivuje Hallove senzory. Magnetické polia sú reprezentované hustotou toku (B) a jej magnetickými pólmi, ako je buď severný pól alebo južný pól. Magnetizmus okolo snímača Hallovho efektu určuje jeho výstupný signál. Keď okolitá hustota magnetického toku prekročí vopred stanovenú prahovú hodnotu, snímač vytvorí Hallovo napätie, VH.
Polovodičové senzory sú polovodiče typu p, ako je arzenid gália (GaAs), arzenid india (InAs) a antimonid india (InSb), ktoré vedú jednosmerný prúd. Polovodičový materiál je vystavený sile v prítomnosti magnetického poľa, čo spôsobuje, že elektróny aj diery sa pohybujú po stranách polovodičovej vrstvy. Keď sa elektróny a diery pohybujú na obe strany, vzniká potenciálny rozdiel medzi rôznymi stranami polovodičov. V plochých pravouhlých materiáloch má vonkajšie magnetické pole kolmé na polovodičový materiál väčší vplyv na pohyblivosť elektrónov.
Hallov jav ukazuje typ magnetického pólu a intenzitu jeho poľa. Napríklad na jednom z pólov magnetu je napätie, ale na druhom nie. Senzory s Hallovým efektom sú zvyčajne „vypnuté“ a fungujú ako otvorený obvod, keď neexistuje magnetické pole. Uzavreté sú len pod silne polarizovaným magnetickým poľom (uzavretý obvod).
Charakteristika Hallovho magnetického snímača
Halové napätie (V H ) Hallovho senzora je funkciou jeho intenzity magnetického poľa (H). Väčšina komerčných zariadení s halovým efektom obsahuje jednosmerné zosilňovače, spínacie logické obvody a regulátory napätia na zlepšenie citlivosti snímača a výstupného napätia. To umožňuje snímaču hallového efektu zvládnuť viac energie a magnetických polí.
Schéma obvodu magnetického snímača s Hallovým efektom
Poloaktívne snímače majú lineárne alebo digitálne výstupy. Výstupné napätie lineárneho snímača priamo súvisí s magnetickým poľom prúdiacim cez Hallov snímač a je na výstupe z operačného zosilňovača.
Hallova rovnica napätia
Rovnica výstupného napätia je daná vzťahom:
Tu, V H označuje halové napätie, R H označuje koeficient Hallovho efektu, ja označujem prúd, t označuje hrúbku a B označuje hustotu magnetického toku. Lineárne alebo analógové snímače produkujú konštantné napätie, ktoré sa zvyšuje so silnejšími magnetickými poľami a klesá so slabšími poľami. V snímači s hallovým efektom sa so zvyšujúcou sa silou magnetického poľa výstupný signál zosilňovača zvyšuje, až kým sa nenasýti napájací zdroj. Zvýšenie magnetického poľa spôsobí saturáciu výstupu, ale nemá žiadny vplyv:
Keď výstup Hallovho senzora prekročí vopred stanovenú úroveň magnetického toku, ktorý ním preteká, kontakty sa rýchlo prepnú zo stavu „zatvorené“ do stavu „otvorený“ bez toho, aby sa odrazili. Táto vstavaná hysterézia zabraňuje oscilácii výstupného signálu pri pohybe snímača do magnetického poľa. To znamená, že snímač digitálneho výstupu má iba stavy „zapnuté“ a „vypnuté“.
Typy snímačov s Hallovým efektom
Hallove senzory môžu byť dvoch typov: bipolárne senzory hall efektu a unipolárne senzory hall efektu. Unipolárne senzory môžu fungovať a vybíjať sa pri vstupe a výstupe z magnetického poľa s rovnakým južným magnetickým pólom, zatiaľ čo bipolárne senzory vyžadujú na svoju činnosť a vybíjanie kladné aj záporné magnetické polia. Kvôli ich schopnostiam výstupného pohonu 10-20 mA väčšina zariadení s hallovým efektom nemôže priamo spínať vysoké prúdové zaťaženie. Pre vysokoprúdové zaťaženie je na výstup pridaný tranzistor NPN s usporiadaním s otvoreným kolektorom.
Aplikácie snímačov Hallovho efektu
Hallove senzory sa zapínajú v prítomnosti magnetických polí a sú ovládané jedným permanentným typom magnetu na pohyblivom hriadeli alebo zariadení. Na maximalizáciu citlivosti musia byť čiary magnetického toku kolmé na pole snímača a so správnou polarizáciou vo všetkých konfiguráciách.
1: Head on Detection
Vyžaduje, aby magnetické pole bolo kolmé na detektor Hallovho efektu, ako je znázornené nižšie:
Táto technika vytvára výstupný signál, V H , ktorý meria hustotu magnetického toku v lineárnych zariadeniach ako funkciu vzdialenosti od snímača Hallovho efektu. Výstupné napätie sa zvyšuje so silou magnetického poľa a jeho blízkosťou.
2: Bočná detekcia
Vyžaduje nepriamy magnetický tok, zatiaľ čo sa magnet pohybuje do strán cez prvok hallového efektu.
Bočné alebo pohyblivé snímače môžu merať rýchlosť rotujúcich magnetov alebo motorov detekciou magnetického poľa kĺzajúceho po povrchu Hallovho prvku v určitej vzdialenosti od vzduchovej medzery.
Kladné alebo záporné lineárne výstupné napätie môže byť vytvorené v závislosti od polohy magnetického poľa prechádzajúceho cez stredovú čiaru nulového poľa snímača. Určuje vertikálne a horizontálne pohyby.
3: Ovládanie polohy
Detektor polohy zostáva vo vypnutom stave, keď nie je prítomné magnetické pole. Akonáhle sa južný pól magnetu pohne v kolmom smere k blízkosti snímača Hallovho efektu, zariadenie sa „zapne“ a LED sa rozsvieti. Po zapnutí je snímač Hallovho efektu v stave „ON“.
Na vypnutie LED musí magnetické pole klesnúť pod svoj minimálny detekovateľný spúšťací bod, alebo môže byť tiež konfrontované s opačným severným pólom so zápornou hodnotou Gauss.
Záver
Hallove senzory sa používajú na detekciu smeru a sily magnetických polí. Používajú sa v širokom spektre aplikácií vrátane automobilového priemyslu, snímania blízkosti, čelnej, bočnej a polohovej detekcie pre rôzne magnetické polia.