Senzor Hallovega učinka
Hallovi senzorji zaznavajo jakost in smer magnetnega polja trajnega magneta ali elektromagneta. Izhod senzorja Hallovega učinka je funkcija njegovega magnetnega polja in lahko zazna tako pozitivna kot negativna magnetna polja.
Načelo delovanja senzorja Hallovega učinka
Zunanje magnetno polje aktivira Hallove senzorje. Magnetna polja so predstavljena z gostoto pretoka (B) in njegovimi magnetnimi poli, kot sta severni ali južni pol. Magnetizem okrog Hallovega senzorja določa njegov izhodni signal. Ko gostota magnetnega pretoka okolice preseže vnaprej določeno mejno vrednost, senzor proizvede Hallovo napetost, VH.
Polprevodniški senzorji so polprevodniki tipa p, kot so galijev arzenid (GaAs), indijev arzenid (InAs) in indijev antimonid (InSb), ki prevajajo enosmerni tok. Polprevodniški material doživi silo v prisotnosti magnetnega polja, zaradi česar se elektroni in luknje premaknejo na stranice polprevodniške plasti. Ko se elektroni in luknje premikajo na obe strani, se med različnimi stranmi polprevodnikov razvije potencialna razlika. V ravnih pravokotnih materialih ima zunanje magnetno polje, pravokotno na polprevodniški material, večji učinek na mobilnost elektronov.
Hallov učinek prikazuje vrsto magnetnega pola in njegovo poljsko jakost. Na primer, na enem od polov magneta je napetost, na drugem pa ne. Hallovi senzorji so običajno 'izklopljeni' in delujejo kot odprto vezje, ko ni magnetnega polja. Zaprti so le pod močno polariziranim magnetnim poljem (zaprt krog).
Značilnosti magnetnega senzorja Hallovega učinka
Dvoranska napetost (V H ) Hallovega senzorja je funkcija njegove jakosti magnetnega polja (H). Večina komercialnih naprav z efektom Hall vključuje ojačevalnike enosmernega toka, preklopna logična vezja in regulatorje napetosti v njih za izboljšanje občutljivosti senzorja in izhodne napetosti. To omogoča senzorju Hallovega učinka, da prenese več moči in magnetnih polj.
Diagram vezja magnetnega senzorja Hallovega učinka
Polaktivni senzorji imajo linearne ali digitalne izhode. Izhodna napetost linearnega senzorja je neposredno povezana z magnetnim poljem, ki teče skozi Hallov senzor, oddaja pa jo operacijski ojačevalnik.
Napetostna enačba Hallovega učinka
Enačba izhodne napetosti je podana z:
Tukaj, V H označuje Hallovo napetost, R H označuje koeficient Hallovega učinka, I označuje tok, t označuje debelino in B označuje gostoto magnetnega pretoka. Linearni ali analogni senzorji proizvajajo konstantno napetost, ki narašča z močnejšimi magnetnimi polji in pada s šibkejšimi. Pri Hallovem senzorju, ko se jakost magnetnega polja poveča, se izhodni signal ojačevalnika poveča, dokler se napajanje ne nasiči. Povečanje magnetnega polja povzroči nasičenost izhoda, vendar nima učinka:
Ko izhod Hallovega senzorja preseže vnaprej določeno raven magnetnega pretoka, ki teče skozenj, se kontakti hitro preklopijo iz 'zaprtega' stanja v 'odprto' stanje brez odbijanja. Ta vgrajena histereza preprečuje, da bi izhodni signal nihal, ko se senzor premakne v magnetno polje. To pomeni, da ima digitalni izhodni senzor le stanja 'vklop' in 'izklop'.
Vrste senzorjev Hallovega učinka
Hallovi senzorji so lahko dveh vrst: bipolarni Hallovi senzorji in unipolarni Hallovi senzorji. Unipolarni senzorji lahko delujejo in se praznijo ob vstopu in izstopu iz magnetnega polja z istim južnim magnetnim polom, medtem ko bipolarni senzorji za delovanje in praznjenje potrebujejo tako pozitivna kot negativna magnetna polja. Zaradi zmogljivosti izhodnega pogona 10–20 mA večina naprav s Hallovim učinkom ne more neposredno preklopiti visokih tokovnih obremenitev. Za velike tokovne obremenitve je izhodu dodan NPN tranzistor z razporeditvijo odprtega kolektorja.
Uporaba senzorjev Hallovega učinka
Senzorji Hallovega učinka se vklopijo v prisotnosti magnetnih polj in jih krmili en sam trajni tip magneta na premikajoči se gredi ali pripomočku. Da bi povečali občutljivost, morajo biti črte magnetnega pretoka pravokotne na polje senzorja in s pravilno polarizacijo v vseh konfiguracijah.
1: Zaznavanje glave
Zahteva, da je magnetno polje pravokotno na detektor Hallovega učinka, kot je prikazano spodaj:
Ta tehnika proizvede izhodni signal V H , ki meri gostoto magnetnega pretoka v linearnih napravah kot funkcijo oddaljenosti od senzorja Hallovega učinka. Izhodna napetost narašča z močjo magnetnega polja in njegovo bližino.
2: Bočno zaznavanje
Potrebuje posredni magnetni tok, medtem ko se magnet premika bočno čez element Hallovega učinka.
Bočni ali premični senzorji lahko merijo hitrost vrtečih se magnetov ali motorjev z zaznavanjem drsenja magnetnega polja po površini Hallovega elementa na določeni razdalji od zračne reže.
Pozitivna ali negativna linearna izhodna napetost se lahko proizvede glede na položaj magnetnega polja, ki poteka skozi središčnico ničelnega polja senzorja. Določa navpične in vodoravne premike.
3: Nadzor položaja
Detektor položaja ostane v stanju 'off', ko ni magnetnega polja. Takoj, ko se južni pol magneta premakne pravokotno na bližino Hallovega senzorja, se naprava 'vklopi' in LED zasveti. Ko je vklopljen, je senzor Hallovega učinka v stanju »ON«.
Za izklop LED mora magnetno polje pasti pod svojo najmanjšo zaznavno sprožilno točko ali pa se lahko sooči z nasprotnim severnim polom z negativno gaussovo vrednostjo.
Zaključek
Hallovi senzorji se uporabljajo za zaznavanje smeri in jakosti magnetnih polj. Uporabljajo se v najrazličnejših aplikacijah, vključno z avtomobilizmom, zaznavanjem bližine, čelnim, bočnim in položajnim zaznavanjem za različna magnetna polja.