Sensoren - converters van de ene fysieke hoeveelheid naar de andere (meestal naar elektrisch) worden veel gebruikt in huishoudelijke en industriële apparatuur. Zonder hen is het erg moeilijk, zo niet onmogelijk, om technologische parameters zoals druk en stroming (gas of vloeistof), temperatuur-, niveau, magnetische of elektrische veldsterkte, enz. Een van de meest gebruikte sensoren is de Hall-sensor - ze worden zowel in het dagelijks leven (te beginnen met smartphones of laptops) als in de meest complexe industriële technologie gebruikt.
Inhoud
Hall-effect - werkingsprincipe
Dit effect werd in 1879 ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Edwin Hall en naar hem vernoemd.De essentie van het fenomeen is dat als je een metalen plaat neemt en er een elektrische stroom doorheen laat gaan (in de richting AB in de figuur), en dan op de plaat inwerkt met een magnetisch veld, bijvoorbeeld gecreëerd door een permanente magneet, dan in de richting loodrecht op de stroomdoorgang (CD in de figuur ), zal er een potentiaalverschil zijn.
Dit effect treedt op als gevolg van de Lorentz-kracht die inwerkt op bewegende ladingen en deze verplaatst in een richting loodrecht op de bewegingsrichting. Hierdoor ontstaat aan de randen van de plaat een potentiaalverschil, dat gemeten of gebruikt kan worden om actuatoren aan te sturen (voorversterking). Dit verschil hangt af van:
- van de kracht van de stromende stroom;
- van de sterkte van het magnetische veld;
- op de concentratie van vrije ladingsdragers in de geleider.
Het fenomeen is vernoemd naar zijn ontdekker - het Hall-effect.
Typen en opstelling van Hall-sensoren
Het effect, dat in de vorige eeuw werd ontdekt, vond praktische toepassing. Op basis daarvan worden magnetische veldsensoren gebouwd. Hun voordeel is dat ze geen bewegende en wrijvende elementen hebben (in tegenstelling tot reed-schakelaars), dus hun betrouwbaarheid is veel hoger. Volgens het principe van gevoeligheid: industriële sensoren Zalen zijn onderverdeeld in:
- unipolair (reageer alleen op één magnetische pool - noord of zuid);
- bipolair (inschakelen bij blootstelling aan een magnetisch veld van één polariteit, uitschakelen bij blootstelling aan een magnetisch veld met tegengestelde polariteit);
- omnipolair - reageren op alle polen van magneten.
Het potentiaalverschil dat ontstaat door de werking van een magnetisch veld op bewegende ladingen is eenheden, in het beste geval tientallen microvolts. Voor praktische toepassing is dit niet voldoende, het potentiaalverschil moet worden vergroot. Deze versterkers zijn direct in het lichaam van de sensoren ingebouwd en afhankelijk van het type versterker zijn de apparaten in twee klassen verdeeld.
- Analoog. Daarin is de spanning aan de uitgang van de sensor evenredig met het magnetische veld (dit hangt af van de sterkte van de magneet en de afstand ervan). Gebouwd op basis van een operationele versterker en worden gebruikt om magnetische velden te meten.
- Digitaal. Nadat de versterker is geïnstalleerd comparator of Schmitt-trigger. De uitgangsspanning springt, wanneer de magnetische inductie een bepaalde drempel bereikt, van nul naar een hoog niveau (meestal naar het voedingsspanningsniveau). Dergelijke sensoren worden gebruikt om magnetische relais of pulsgeneratoren te bouwen. Het versterkte signaal van de plaat wordt toegepast op het drempelapparaat. Wanneer het ingestelde niveau is bereikt, wordt de sensor getriggerd. Het triggerniveau kan worden aangepast door de afstand van de sensor tot de bron van het magnetische veld te wijzigen.
Toepassing van Hall-sensoren
De meest voorkomende toepassing van de Hall-sensor in het dagelijks leven zijn contactloze auto-ontstekingssystemen. Hun voordeel is de afwezigheid van mechanische contactgroepen. Dit betekent geen slijtage, geen verbranding van contacten, geen risico op mechanisch falen.
Het distributiesysteem omvat een plaat met richels die worden aangedreven door de krukas van de motor, een permanente magneet en de Hall-sensor zelf. Wanneer de plaat roteert, vallen de uitsteeksels op een strikt gedefinieerd moment, bepaald door de positie van de krukas, in de opening tussen de sensor en de magneet, waardoor de parameters van het magnetische veld veranderen.De sensor genereert pulsen die zijn gesynchroniseerd met de rotatie van de krukas, die de spanningstoevoer naar de hoogspanningsspoel op de vereiste tijdstippen regelen. Ook worden magneetveldsensoren in de auto gebruikt om de positie van de krukas te herkennen.
Een ander gebruik van magnetisch gevoelige sensoren is het bepalen van de positie van de rotoren van elektromotoren. Het relaiselement is op de motorstator gemonteerd en wordt geactiveerd wanneer de pool passeert. Op dit principe kun je een toerenteller of een snelheidsmeter bouwen.
Apparaten gebouwd op het Hall-effect worden gebruikt in laptops of mobiele apparaten - als een indicator van de gesloten positie van het deksel. Wanneer de sensor wordt geactiveerd, gaat de computer in slaapstand of wordt uitgeschakeld. En in smartphones is een van de functies van de sensor die reageert op het aardmagnetisch veld de organisatie van het elektronische kompas.
Analoge Hall-sensoren worden gebruikt in meetinstrumenten - waar het nodig is om het niveau van het magnetische veld te beoordelen. Ze zijn onmisbaar voor contactloze meting van de stroomsterkte in een geleider. Zoals je weet, ontstaat er een magnetisch veld omheen wanneer stroom door een geleider gaat. De intensiteit is afhankelijk van de sterkte van de stroom. Is de stroom wisselstroom, dan kan het veld op andere manieren worden gemeten (bijvoorbeeld met een stroomtransformator), maar bij gelijkstroom is een Hall-sensor onmisbaar. DC-stroomtangen werken volgens dit principe.
De meest exotische toepassing van het Hall-effect is de constructie van ionenraketmotoren volgens zijn principe.
Hoe de Hall-sensor op prestaties te controleren?
Om de sensor te controleren, kunt u een eenvoudig circuit samenstellen, waarvoor u naast de sensor zelf het volgende nodig heeft:
- voeding voor de gewenste spanning;
- weerstand met een weerstand van ongeveer 1 kOhm;
- Lichtgevende diode;
- magneet.
Als er geen LED is, kunt u in plaats daarvan (en de stroombegrenzende weerstand) gebruik een multimeter (digitaal of wijzer) in spanningsmeetmodus.
Er zijn geen speciale vereisten voor de voeding - de stromen in het circuit zijn erg klein. De spanning moet binnen de voedingsspanning van de te testen sensor liggen. De LED is met de anode verbonden met de plus van de spanningsbron, de kathode met de uitgang van het te testen apparaat, aangezien de sensor meestal is gemaakt met een open collector (maar het is beter om dit op het gegevensblad te controleren).
De testprocedure is afhankelijk van het type apparaat dat wordt getest.
- Om een unipolaire digitale sensor te testen, moet je er een magneet met één pool naar toe brengen. De LED moet oplichten (de pijl van de wijzer voltmeter wijkt af of de meetwaarden van de digitale tester veranderen abrupt). Wanneer de magneet over een aanzienlijke afstand wordt verwijderd, moet het circuit terugkeren naar zijn oorspronkelijke positie. Als de sensor niet werkt, is het noodzakelijk om de magneet met de andere pool om te draaien en de procedure te herhalen. Als de LED knippert, werkt de sensor. Als er in geen enkele positie van de magneet succes is behaald, is het apparaat onbruikbaar.
- Een bipolaire digitale sensor wordt getest met een vergelijkbare techniek, alleen de LED licht op één positie van de magneet op en gaat niet uit wanneer de magnetische veldbron wordt verwijderd. Het circuit mag niet reageren op verdere manipulaties met dezelfde pool. Als u de magneet omdraait en in de tegenovergestelde polariteit naar de sensor brengt, moet de LED uitgaan. Dit geeft de gezondheid van het te testen apparaat aan.Als het circuit niet werkt, is de sensor defect.
- Een omnipolaire digitale Hall-sensor wordt op dezelfde manier getest als een unipolaire, maar het magnetisch gevoelige apparaat zou in elke positie van de magneet moeten werken.
Analoge sensoren worden op dezelfde manier gecontroleerd als digitale, maar de uitgangsspanning mag niet abrupt, maar soepel veranderen naarmate de magnetische kracht toeneemt (bijvoorbeeld een permanente magneet nadert of een toename van de stroom in de elektromagneetwikkeling).
Vanuit praktisch oogpunt is de vraag hoe de Hall-sensor geïnstalleerd in het contactloze ontstekingssysteem van een auto moet worden gecontroleerd, interessant. Verwijder hiervoor de connector van de sensor en monteer de aangegeven schakeling direct op de pinnen.
Ook hier kun je de LED vervangen door een multimeter. Door de krukas van de auto handmatig te draaien, kunt u periodieke flitsen van de LED zien of veranderingen in de uitgangsspanning van nul tot ongeveer de spanning van het elektrische systeem van de auto. Een alternatieve manier om in een garage te controleren is om het apparaat tijdelijk te vervangen door een reservesensor waarvan bekend is dat ze goed zijn.
De Hall-sensor heeft een brede toepassing gevonden in huishoudelijke en industriële apparatuur. Het is niet moeilijk om het te controleren op bruikbaarheid als er begrip is van het principe van zijn werking.
Vergelijkbare artikelen:
