Hallův senzor (nebo jednoduše Hallův senzor ) je měřicí převodník pro měření velikosti magnetického pole. Princip činnosti snímače je založen na Hallově jevu a jeho počáteční napětí je přímo úměrné intenzitě magnetického pole [1] . Tento jev objevil americký fyzik Edwin Hall v roce 1879.
Senzory s Hallovým efektem se používají pro bezkontaktní detekci, polohování, detekci rychlosti a proudovou detekci [2] .
Hallův senzor je často kombinován s detekcí prahových hodnot a funguje jako spínač a nazývá se Hallův spínač. Běžně se vyskytují v průmyslových aplikacích, jako je zobrazený pneumatický válec, používají se také ve spotřebitelském vybavení; například některé počítačové tiskárny je používají k detekci chybějícího papíru a otevřených krytů. Mohou být také použity v počítačových klávesnicích, což je aplikace, která vyžaduje ultra vysokou spolehlivost. Další využití Hallova efektového senzoru je při tvorbě MIDI varhanních pedálů, kde se pohyb „klávesy“ na pedálnici překládá jako vypínač pro Hallovy efektové senzory.
Hallovy senzory se běžně používají k měření rychlosti otáčení kol a hřídelí , například pro časování zapalování spalovacího motoru, tachometry a protiblokovací brzdové systémy. Používají se ve stejnosměrných motorech k detekci polohy permanentního magnetu. Na vyobrazeném kole se dvěma identicky rozmístěnými magnety vrcholí napětí ze snímače faktorem dva na otáčku. Toto schéma se běžně používá k řízení rychlosti diskových jednotek.
Hallovy senzory se často používají jako magnetometry , tedy pro měření magnetických polí nebo kontrolu materiálů (jako jsou potrubí nebo potrubí) s využitím principů úniku magnetického toku .
Zařízení s Hallovým efektem produkují velmi nízké úrovně signálu, a proto vyžadují zesílení. Ačkoli elektronkové zesilovače první poloviny 20. století byly vhodné pro laboratorní přístroje, byly příliš drahé, energeticky náročné a nespolehlivé pro každodenní použití. Teprve s vývojem levného integrovaného obvodu se senzor Hallova jevu stal vhodným pro masové použití. Mnoho zařízení nyní prodávaných jako senzory s Hallovým efektem ve skutečnosti obsahuje jak senzor, jak je popsáno výše, tak zesilovač s integrovaným obvodem (IC) s vysokým ziskem ve stejném balení. Nedávné pokroky přidaly A/D převodník a I²C (protokol komunikace mezi integrovanými obvody) do stejného balíčku pro přímé připojení k I/O portu mikrokontroléru .
Zařízení s Hallovým efektem (pokud jsou správně zabalena) jsou imunní vůči prachu, špíně a vodě. Díky těmto vlastnostem jsou zařízení s Hallovým efektem lepší pro určování polohy než alternativní prostředky, jako jsou optická a elektromechanická měření.
Při průchodu elektronů vodičem vzniká magnetické pole. Tak je možné vytvořit bezkontaktní proudový snímač. Zařízení má tři svorky. Napětí snímače je přivedeno na dvě svorky a třetí poskytuje napětí úměrné měřenému proudu. To má několik výhod: v primárním okruhu není potřeba žádný přídavný odpor ( bočník potřebný pro nejběžnější způsob měření proudu). Kromě toho se napětí na měřeném vedení nepřenáší do snímače, což zvyšuje bezpečnost měřicího zařízení.
Magnetický tok z okolního prostředí (jako jsou jiné vodiče) může snížit nebo zvýšit pole, které Hallův senzor zamýšlí měřit, a výsledky jsou tak nepřesné.
Metody měření mechanických poloh v elektromagnetickém systému, jako je bezkomutátorový stejnosměrný motor, zahrnují (1) Hallův jev, (2) optický kodér (jako jsou absolutní a inkrementální kodéry ) a (3) indukované napětí pohybem kovového jádra. vložen do transformátoru. Při porovnání Hallova jevu s fotosenzitivními metodami je obtížnější získat absolutní hodnotu s Hallem. Hallova měření jsou také citlivá na parazitní magnetická pole.
Senzory Hallova efektu jsou dostupné od mnoha různých výrobců a lze je použít v různých senzorech, jako jsou senzory rychlosti otáčení (kola jízdních kol, ozubení, automobilové rychloměry, elektronické zapalovací systémy), senzory průtoku kapalin , proudové senzory a tlakové senzory . . Běžné aplikace se často nacházejí tam, kde je vyžadován odolný a bezkontaktní spínač nebo potenciometr. Patří mezi ně: elektrické airsoftové zbraně, elektropneumatické spouštěče paintballových zbraní , ovladače rychlosti motokár, chytré telefony a některé globální polohovací systémy.
Proudový měnič s feritovým toroidem na Hallově jevuHallovy senzory dokážou snadno detekovat rozptýlená magnetická pole, včetně magnetických polí Země, takže fungují dobře jako elektronické kompasy: to ale také znamená, že takováto rozptylová pole mohou bránit přesnému měření malých magnetických polí. K vyřešení tohoto problému jsou Hallovy senzory často integrovány s nějakým druhem magnetického štítu. Například Hallův senzor integrovaný ve feritovém prstenci (jak je znázorněno) může snížit detekci rozptylových polí faktorem 100 nebo lepším (protože vnější magnetická pole se v prstenci ruší a nedávají žádný zbytkový magnetický tok ). Tato konfigurace také poskytuje více než 20krát lepší poměr signálu k šumu a driftové efekty než nepotažené Hallovo zařízení.
Dosah tohoto průchozího senzoru lze rozšířit nahoru a dolů pomocí vhodného zapojení. Pro rozšíření rozsahu na nižší proudy lze otvorem provést několik závitů vodiče s proudem, přičemž každé otočení přidá stejné množství k výstupu senzoru; při instalaci snímače na desku s plošnými spoji lze otáčení provést pomocí držáků na desce. Pro rozšíření dosahu na vyšší proudy lze použít proudový dělič. Dělič rozděluje proud na dva vodiče různých šířek a tenčí vodič, který vede menší část celkového proudu, prochází snímačem.
Snímač s děleným kroužkemHallův prstencový snímač se používá v klešťových měřičích . Měřicí zařízení je upevněno na lince, což umožňuje použití zařízení ve zkušebním zařízení. Při použití v pevné instalaci umožňuje tato metoda kontrolu elektrického proudu bez demontáže stávajícího obvodu.
Analogové násobeníVýstupní signál je úměrný použitému magnetickému poli a použitému napětí snímače. Je-li magnetické pole aplikováno solenoidem, je výstup snímače úměrný součinu proudu procházejícího elektromagnetem a napětí snímače. Protože většinu výpočetních aplikací v současnosti provádějí malé digitální počítače , užitečnou zbývající aplikací je měření výkonu v jediném zařízení s Hallovým efektem, které kombinuje měření proudu s měřením napětí.
Měření výkonuMěřením proudu dodávaného do zátěže a použitím napětí přivedeného na zařízení lze určit výkon rozptýlený zařízením.
Určení polohy a pohybuZařízení s Hallovým efektem používaná v snímačích pohybu a koncových spínačích pohybu mohou poskytnout zvýšenou spolehlivost v extrémních podmínkách. Protože uvnitř senzoru nebo magnetu nejsou žádné pohyblivé části, je typická životnost delší ve srovnání s tradičními elektromechanickými spínači. Senzor a magnet lze navíc zabalit do vhodného ochranného materiálu. Tato aplikace se používá v bezkomutátorovém stejnosměrném motoru .
Senzory s Hallovým efektem připojené k mechanickým snímačům, které mají zmagnetizované jehly indikátoru, mohou převést fyzickou polohu nebo orientaci jehly mechanického indikátoru na elektrický signál, který mohou používat elektronické indikátory, ovládací prvky nebo komunikační zařízení [3] .
Automobilové zapalování a vstřikování palivaBěžně se používá v distributorech k určení časování zapalování a v některých typech snímačů polohy klikového hřídele a vačkového hřídele k určení časování vstřikovacího impulsu, měření rychlosti a tak dále. Senzor Hallova jevu se používá jako přímá náhrada za mechanické body přerušení používané v dřívějších automobilových aplikacích. Jeho použití jako zařízení pro seřizování časování zapalování v rozdělovačích různých typů je následující. Stacionární permanentní magnet a polovodičový čip s Hallovým jevem jsou namontovány vedle sebe a odděleny vzduchovou mezerou, aby vytvořily snímač Hallova jevu. Kovový rotor, sestávající z okének a výstupků, je nasazen na hřídeli a umístěn tak, aby při otáčení hřídele procházela okénka a výstupky vzduchovou mezerou mezi permanentním magnetem a Hallovým polovodičovým krystalem. To účinně stíní a vystavuje Hallův čip pole permanentního magnetu v závislosti na tom, zda štítek nebo okénko prochází Hallovým senzorem. Pro určení časování zapalování bude mít kovový rotor řadu výstupků a okének stejné velikosti odpovídající počtu válců motoru. To poskytuje jednotný obdélníkový výstup, protože časy zapnutí a vypnutí (stínění a expozice) jsou stejné. Tento signál používá počítač motoru nebo ECU k řízení časování zapalování. Mnoho automobilových senzorů s Hallovým efektem má vnitřní NPN tranzistor s otevřeným kolektorem , zemní emitor, což znamená, že místo napětí generovaného na signálovém výstupním vodiči senzoru Hallova efektu se tranzistor zapne a poskytne obvod k zemi přes signálový výstupní vodič.
Určení rychlosti kolaDůležitá aplikace Hallova senzoru byla nalezena v protiblokovacích brzdových systémech . Principy fungování těchto systémů byly rozšířeny a zpřesněny, aby nabízely více možností než protiskluzová funkce. Nyní poskytují pokročilá vylepšení v ovládání vozidla.
Ovládání motoruNěkteré typy motorů BLDC používají k určení polohy rotoru snímače Hallova jevu a předávají tyto informace do ovladače motoru. To zlepšuje přesnost řízení motoru.
Průmyslové aplikaceAplikace s Hallovým efektem se také rozšířily do průmyslových aplikací, které nyní využívají joysticky s Hallovým efektem k ovládání hydraulických ventilů a nahrazují tradiční mechanické páky snímačem přiblížení. Mezi takové aplikace patří důlní vozíky, rypadlo-nakladače, jeřáby, rypadla, nůžkové zvedací plošiny a tak dále.