Hallov senzor - princíp, funkcia a použitie

Hallov senzor - princíp, funkcia a použitie
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  3748 zobrazení
8
 0
Komponenty

Hallove senzory sú integrované obvody, ktoré detekujú prítomnosť magnetického poľa. Toto pole je vyjadrené vo forme sily magnetického poľa B a je to práve táto sila poľa, ktorá generuje malé napätie v citlivom prvku, Hallovom generátore.

Tri typy Hallových senzorov

Efekt uvedený v úvode tohto článku je možné previesť na prakticky použiteľný obvod tromi spôsobmi:

  • Hallove snímače s lineárnym výstupom.
  • Hallove snímače so spínacím výstupom.
  • Hallove snímače s prerušovačom.

Hallove snímače s lineárnym výstupom

Prepočet sily magnetického poľa na jednosmerné napätie je dosť lineárny a je tak možné navrhnúť obvody, ktoré prevádzajú absolútnu veľkosť sily magnetického poľa na proporcionálne napätie. Takéto snímače sa často používajú na bezdotykové meranie veľkosti jednosmerného prúdu pretekajúceho vodičom.

Hallove snímače so spínacím výstupom

Väčšina Hallových senzorov je však navrhnutá interne ako spínače. Po zosilnení sa Hallovo napätie predloží komparátoru alebo Schmittovmu spúšťaču. Výstup bude reagovať, iba ak Hallovo napätie a tým aj sila magnetického poľa prekročí určitú hodnotu. Takéto integrované obvody sa používajú na bezkontaktnú registráciu javov.

Ak nastavíte spínací snímač do magnetického poľa permanentného magnetu a prerušíte toto pole uzáverom vyrobeným z magnetického absorpčného kovu, napríklad z mäkkého železa, bude snímač generovať výstupné napätie, ak sa uzáver alebo istič nenachádzajú medzi magnetom a snímačom. Ak sa uzávierka presunie do polohy medzi magnetom a snímačom, nebude generovať žiadne výstupné napätie. Týmto spôsobom môžete počítať objekty, vypočítať obvodovú rýchlosť kolies atď.

Hallove snímače s prerušovačom

K dispozícii je množstvo integrovaných magnetických snímačov, v ktorých je permanentný magnet zodpovedný za vytváranie sily magnetického poľa umiestnený v puzdre snímača. Vo väčšine prípadov sú tieto obvody umiestnené v vidlicovitom puzdre s magnetom v jednom zube a Hallovým obvodom v druhom. V medzere medzi dvoma zubami sa uzávierka alebo prerušovač z mäkkej železa môžu pohybovať tam a späť.

Tok magnetických veličín a intenzita poľa

Asi viete, čo je elektrické napätie a elektrický prúd. Základné množstvá magnetizmu sú však oveľa menej známe. Krátke vysvetlenie je preto na mieste. Základnou veličinou všetkých magnetických javov je magnetický tok alebo prúd Φ (grécke písmeno phi), vyjadrený vo weberoch - Wb alebo voltoch sekúnd - Vs.

Magnetický tok je definovaný nasledovne. Predpokladajme, že jedna otáčka vodivého drôtu je aplikovaná v magnetickom poli. Ak sa magnetický tok tohto poľa mení rovnomerne v priebehu jednej jednotky za jednu sekundu, bude vo vinutí indukované napätie 1 V.

Z tejto definície bezprostredne vyplýva vzorec:

1 Wb = 1 V x 1 s

Intenzita magnetického poľa B je definovaná ako hustota magnetického toku. Normalizovanou jednotkou pre intenzitu poľa je Tesla - T. Intenzita magnetického poľa je definovaná nasledovne. Intenzita magnetického poľa sa rovná 1 T, keď rovnomerný magnetický tok 1 Wb dopadá kolmo na povrch 1 m².Z tejto definície vyplýva vzorec pre výpočet magnetickej indukcie:

B = Φ / A

Teraz môžete ľahko definovať jednotku Tesla:

1 T = 1 Wb / m² = 1 Vs / m²

Intenzita magnetického poľa sa zvykne vyjadrovať v Gauss - G, kde vzťah je:

1 G = 0,1 mT

Fyzická prevádzka Hallovho generátora

Intenzita magnetického poľa generuje jednosmerné napätie

Všetky integrované obvody magnetického snímača pracujú s Hallovým generátorom ako základňou. Hallov generátor je komponent, ktorý generuje jednosmerné napätie, ktorého veľkosť závisí od sily sily magnetického poľa dopadajúceho na komponent.

Základná štruktúra Hallovho generátora je znázornená na obrázku nižšie. Tenká fólia je vyrobená z polovodiča, vo väčšine prípadov je to zlúčenina s indiom. Na dvoch protiľahlých stranách sú nanesené široké kontaktné lišty 1 a 2. Malé kontaktné body 3 a 4 sú namontované na ďalších dvoch stranách. Pásy 1 a 2 sú zahrnuté v obvode, ktorý vysiela cez fóliu konštantný prúd Icte. Tento súčasný Icte spôsobuje migráciu elektrónov z 2 na 1 v polovodičovej fólii.

Bez vonkajšieho magnetického poľa sledujú tieto elektróny najkratšiu cestu cez fóliu a platňa je elektricky v rovnováhe.

Princíp Hallovho generátora.

Ak však aplikujete magnetické pole B kolmo na senzor, elektróny sa odrazia v dôsledku Lorentzovej sily na ich ceste medzi pásmi 2 a 1. V závislosti od smeru magnetického poľa elektróny prejdú do kontaktného bodu 3 alebo odklonené ku kontaktnému bodu 4. Výsledkom je, že cez dosku sa vytvára elektrické pole, ktoré vytvára malé priame napätie Uh medzi bodmi 3 a 4. Toto napätie Uh sa nazýva "Hallovo napätie" a veľkosť tohto napätia je úmerná sile elektrického poľa v polovodičovej fólii. Pretože toto pole zase závisí od sily magnetického poľa, môžete usúdiť, že veľkosť Hallovho napätia je priamo úmerná veľkosti sily magnetického poľa B dopadajúcho kolmo na senzor.Veľkosť Hallovho napätia je daná výrazom:

Uh = [Rh / d] x Icte x B

v ktorom:

  • d - je hrúbka fólie.
  • Icte - je veľkosť konštantného prúdu.
  • B - je sila sily magnetického poľa.
  • Rh - je materiálna konštanta.

Hallova konštanta Rh

Táto konštanta závisí nielen od typu polovodiča, z ktorého je fólia vyrobená, ale aj od teploty. Na nasledujúcom obrázku je znázornená zmena hodnoty tejto konštanty ako funkcia teploty pre množstvo použiteľných polovodičov.

Priebeh Rh v závislosti na teplote.

Normalizované Hallove napätie

Hallove napätie Uh samozrejme nezávisí len od veľkosti sily magnetického poľa B, ale aj od veľkosti aktuálneho Icte. Na stanovenie jednoznačného vzťahu medzi napätím a intenzitou poľa sa často používa takzvané "Normalizované Hallovo napätie". Toto je veličina, ktorá sa vypočíta vydelením efektívneho Hallovho napätia prúdom Icte a vynesením tejto pomocnej veličiny proti sile poľa. Na obrázku nižšie je toto normalizované Hallove napätie (vyjadrené vo V / A) vynesené ako funkcia sily magnetického poľa (vyjadrené v Tesla) pre rôzne hodnoty odporu záťaže Rs, ktoré sú paralelne zapojené cez Hallov generátor. Pri tomto grafe treba poznamenať, že hodnoty  intenzity poľa sú rádovo v desatinách Tesly a v praxi nebudú vyskytovať veľmi často! Praktické hodnoty sú skôr rádovo niekoľko desiatok mT.

Normalizované Hallovo napätie.

Symbol Hallovho generátora

Nasledujúci obrázok zobrazuje viac alebo menej štandardizovaný symbol Hallovho generátora. Toto je samozrejme tiež symbol Hallovho snímača. Elektrické pripojenie Icte sa často nahrádza pripojením napájacieho zdroja + Ub. V senzore je potom integrovaný zdroj energie.

Symbol Hallovho generátora / snímača.

Praktické verzie Hallových generátorov

Polovodičový film tvoriaci Hallov generátor môže byť vyrobený v rôznych geometrických tvaroch. Na obrázku nižšie sú načrtnuté tri často sa vyskytujúce verzie. Dizajn v tvare "kríža" sa vyznačuje vysokou citlivosťou, zatiaľ čo "pravouhlý" vytvára vysoké Hallovo napätie. Hallov generátor v tvare "motýľa" sa používa hlavne na meranie intenzívnych, ale úzko smerovaných lúčov magnetických polí.

Rôzne tvary Hallovho senzora.

Výroba fólie

Fólia sa vyrába jednou z nasledujúcich technológií:

  • Kryštalicky - Fólia je vyrobená z polovodičového kryštálu mechanickými operáciami, s možnými hrúbkami od 5 μm do 100 μm.
  • Odparovaním - Polovodičová vrstva s hrúbkou 2 μm až 3 μm sa odparí na nosiči. Tieto Hallove generátory sú ideálne pre aplikácie pri extrémne vysokých alebo nízkych teplotách.
  • Epitaxne - Polovodičová vrstva je vytvorená zo substrátu chemickými technikami známymi z bežnej polovodičovej technológie, čím je dosiahnuteľná hrúbka vrstvy približne 10 μm.
  • Iontová implantácia - V poloizolačnej základni z polovodičového materiálu sú ióny implantované tepelným spôsobom, čím sa vytvorí polovodičová vrstva v hornom tenkom obale základného materiálu. Túto techniku ​​je možné použiť až do hrúbky aktívnej vrstvy približne 0.4 μm.

Typy Hallových senzorov

Hallove snímače so spínacím výstupom

Základné schéma Halovho senzora s magnetickým prepínaním je znázornené na obrázku nižšie. Konštantný prúd Icte je odvodený z napájacieho napätia pomocou referenčného zdroja Uref, diódy a tranzistora. Tento prúd je vysielaný Hallovým generátorom. Hallovo napätie je zosilnené v diferenciálnom zosilňovači a zosilnené napätie je dodávané do Schmittovho spúšťača. Tento obvod má hysteréziu, čo znamená, že výstupné napätie spúšťača nezávisí iba od okamžitej veľkosti vstupného napätia a teda aj od sily magnetického poľa, ale aj od poklesu alebo nárastu tohto napätia alebo intenzity magnetického poľa.

Principiálna schéma.

Prenosová charakteristika Schmittovho spúšťača je znázornená na obrázku nižšie. Predpokladajme, že intenzita magnetického poľa B dopadajúca na Hallov senzor je väčšia ako určitá prahová hodnota B + (východiskový bod). Výstupné napätie Schmittovho spúšťača je potom nízke (Uol). Ďalej predpokladajme, že intenzita poľa pomaly klesá. Výstup zostáva nízky, kým intenzita poľa neklesne pod druhú prahovú hodnotu B -. V tom okamihu sa obvod prevráti a výstup sa zvýši (Uoh).

Ak potom znova zvýšite indukčnosť, výstupné napätie zostane vysoké, kým intenzita poľa opäť nestúpne nad hornú prahovú hodnotu B +. Rozdiel medzi dvoma prahmi B - a B + sa nazýva hysterézia Schmittovho spúšťača. Táto vlastnosť zaisťuje, že v rozsahu intenzity poľa existujú dva odlišné body obratu, na ktoré obvod jednoznačne reaguje. Malé kolísanie intenzity poľa okolo prahových hodnôt nemá vplyv na výstupné napätie obvodu.

Schmittov spúšť je ukončený jedným alebo dvoma rovnakými výstupnými stupňami podľa štruktúry otvoreného kolektora. Medzi napájacím napätím a výstupom integrovaného obvodu musíte externe použiť záťažový rezistor. Toto ustanovenie o otvorenom kolektore má výhodu v tom, že výstupy rôznych senzorov môžete zahrnúť do matrice pomocou rezistorov a diód, takže je možné okolo výstupov zhromažďovať jednoduché dekódovania bez ďalších integrovaných obvodov.

Prenosová charakteristika Schmittovho spúšťača.

Unipolárne a bipolárne Hallove senzory

Každý magnet je polarizovaný, takžeť má severný a južný pól. Hallov senzor môžete umiestniť do magnetického poľa dvoma spôsobmi. Hornou časťou smerujúcou k severnému pólu magnetu, ktorý vytvára pole, alebo hornou časťou smerujúcou k južnému pólu tohto poľa. Ak je možné umiestniť snímač iba jedným spôsobom, nazýva sa hallov snímač unipolárny. Ak je možné umiestniť snímač oboma spôsobmi, je hallov snímač bipolárny. Na nasledujúcom obrázku je porovnaná prenosová charakteristika unipolárneho snímača (vľavo) s charakteristikou bipolárneho snímača (vpravo).

Porovnanie prenosovej charakteristiky unipolárneho a bipolárneho Hallovho snímača.

Hallove snímače s lineárnym výstupom

Na nasledujúcom obrázku je znázornená základná schéma magnetického snímača s lineárnym výstupom. Aj teraz je z napájacieho napätia odvodený konštantný prúd Icte. Ale pretože na stálosť tohto prúdu sa v súčasnosti kladú oveľa vyššie nároky (nezabudnite, že Hallovo napätie závisí aj od veľkosti prúdu vysielaného cez Hallov generátor), došlo k rozšíreniu obvodu zdroja energie. Výstup Hallovho generátora je opäť vyvedený do diferenciálneho zosilňovača. Pretože vo väčšine prípadov nie je možné začať s diferenciálnym napätím, po diferenciálnom zosilňovači nasleduje fáza, v ktorej sa rozdielové výstupné napätie zosilňovača prevedie na unipolárne napätie, napätie, ktoré sa vzťahuje na spoločný zemniaci bod.

V tejto poslednej fáze nájdete lineárne Hallove senzory, ktoré majú k dispozícii nastavenie nulového bodu a nastavenie citlivosti. Avšak s inými proporcionálnymi snímačmi musíte tieto obvody vytvoriť externe.

Základná schéma Hallovho snímača s lineárnym výstupom.

Aplikácie Hallových senzorov

Táto časť pojednáva o niektorých zrejmých, ale aj o niektorých menej zrejmých praktických aplikáciách Hallových senzorov. Základný princíp je vždy rovnaký. Musíte vytvoriť uzavretý magnetický systém, kde permanentný magnet vytvára konštantné magnetické pole. Hallov senzor je umiestnený v tomto magnetickom poli.

Pokiaľ sa v nastaveniach nič nezmení, magnetický odpor uzavretého systému bude konštantný a snímač bude v konštantnej sile magnetického poľa B. Ak sa však niečo zmení, napríklad zväčšenie vzduchovej medzery alebo zabudovanie kovového predmetu do systému, magnetický odpor systému sa zmení, čo spôsobí zníženie alebo zvýšenie intenzity magnetického poľa. Senzor dodáva premenlivé výstupné napätie a toto napätie môžete použiť na registráciu, počítanie alebo kontrolu konkrétnej aplikácie.

Počítanie kovových predmetov

Malý permanentný magnet je namontovaný v tesnom kontakte s Hallovým snímačom so spínacím výstupom v blízkosti počítaných objektov, pozri obrázok nižšie. V tomto konkrétnom prípade sa počítajú železné predmety na pásovom dopravníku. Keď sa pás začne otáčať, tak sa vzduchová medzera medzi Hallovým snímačom a dopravným pásom rozšíri keď pred snímačom nie je žiadny predmet, a menšia, keď sa pred objektom nachádza nejaký predmet. Meniaca sa sila magnetického poľa generuje striedavé výstupné napätie a  každé maximum tak zodpovedá predmetu pred Hallovým senzorom. Týmto spôsobom môžete napríklad merať aj rýchlosť rotujúcich kovových hriadeľov.

Počítanie kovových predmetov.

Meranie vzdialenosti

Kombinácia permanentného magnetu a Hallovho snímača s proporcionálnym výstupom, pozri obrázok nižšie, meria vzdialenosť d medzi snímačom a kovovým predmetom. Čím väčšia je vzdialenosť, tým väčšia je vzduchová medzera v systéme a tým menšia je intenzita magnetického poľa a výstupného napätia zo snímača.

Meranie vzdialenosti.

Umiestnenie objektov

Podľa rovnakého obrázka sú v rovnakej vzdialenosti od miesta, kde musí dopadnúť predmet, ktorý sa má umiestniť, umiestnené dva rovnako silné trvalé magnety. Tento objekt je vybavený Hallovým senzorom s lineárnym výstupom. Keď je citlivá plocha senzor presne medzi dvoma magnetmi, výstupné napätie snímača  vykazuje zreteľne záporné maximum. S týmto napätím môžete riadiť motor pomocou riadiaceho systému tak, aby bol snímač umiestnený presne medzi dvoma permanentnými magnetmi.

Umiestnenie objektov.

Bezdotykové meranie prúdov

Prúd I1, ktorý sa má merať, je, pozri obrázok nižšie, vysielaný niekoľkými otáčkami okolo magnetického jadra so vzduchovou medzerou. Umiestnite Hallov senzor do vzduchovej medzery. Výstupné napätie tohto integrovaného obvodu odosiela prúd I2 cez druhé vinutie cez diferenciálny zosilňovač. Diferenciálny zosilňovač porovnáva výstupné napätie snímača so zemou, takže sa systém bude usilovať o Hallovo napätie rovné 0 V. V tom okamihu je sila magnetického poľa v jadre nulová, čo je možné, iba ak intenzita magnetického poľa generuje prúd I1 generovaný v jadre a presne rovný intenzite (opačného) poľa generovaného prúdom I2. Teraz trochu nekomplikovaná matematika:

I1 x n1 = I2 x n2

I2 = I1 x [n1 / n2]

Uout = R1 x I2

Uout = R1 x I1 x [n1 / n2]

Ak je konštantný faktor R1 x [n1 / n2] = α
Potom:

Uout = α x I1

Výstupné napätie Uout je priamo úmerné veľkosti meraného prúdu I1.

Galvanicky oddelené meranie prúdu.

Bezkomutátorové motory

Bežné elektrické motory majú komutátor a najmenej dve uhlíkové kefy, ktoré prenášajú prúd na napájanie cievky (cievok) na rotore cez medené rebrá do komutátora. Komutátor je vyrobený z tvrdých medených rebier s izolačným materiálom medzi nimi. Ten je celý izolovaný na hriadeli rotora a medené rebrá sú spojené s vinutiami kotvy. Zdroj porúch!

Pomocou Hallových senzorov môžu byť motory konštruované bez mechanických alebo uhlíkových kontaktov. Základná myšlienka je uvedená na obrázku nižšie. Cievka na rotore bola nahradená permanentným magnetom, ktorý je uvedený do pohybu štyrmi cievkami L1 L4 usporiadanými okolo rotora. Dva Hallove senzory, namontované navzájom kolmo, snímajú polohu rotora. Senzory riadia štyri cievky, samozrejme prostredníctvom riadiacich obvodov, ktoré nie sú zobrazené, takže pole generované cievkami je 90 ° pred poľom permanentného magnetu v rotore. Výsledkom je, že rotor sa začne otáčať.

Základná štruktúra bezkomutátorového motora.

 

Na budúce sa pozrieme na zopár typov Hallových senzorov.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button