Senzorul cu efect Hall (sau pur și simplu senzorul Hall ) este un traductor de măsurare pentru măsurarea mărimii unui câmp magnetic. Principiul de funcționare al senzorului se bazează pe efectul Hall și tensiunea inițială a acestuia este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic [1] . Acest fenomen a fost descoperit de fizicianul american Edwin Hall în 1879.
Senzorii cu efect Hall sunt utilizați pentru detectarea fără contact, poziționarea, detectarea vitezei și detectarea curentului [2] .
Adesea, un senzor Hall este combinat cu detecția pragului și acționează ca un comutator și se numește comutator Hall. Se găsesc în mod obișnuit în aplicații industriale, cum ar fi cilindrul pneumatic din imagine, ele sunt, de asemenea, utilizate în echipamentele de consum; de exemplu, unele imprimante de computer le folosesc pentru a detecta hârtia lipsă și capacele deschise. Ele pot fi folosite și la tastaturile computerelor, o aplicație care necesită o fiabilitate ultra-înalta. O altă utilizare a senzorului cu efect Hall este în crearea pedalelor de orgă MIDI, unde mișcarea unei „taste” de pe pedalieră se traduce printr-un comutator pornit/oprit pentru senzorii cu efect Hall.
Senzorii Hall sunt utilizați în mod obișnuit pentru a măsura viteza de rotație a roților și arborilor , cum ar fi pentru momentul aprinderii unui motor cu ardere internă, turometre și sisteme de frânare antiblocare. Ele sunt utilizate în motoarele de curent continuu pentru a detecta poziția unui magnet permanent. Pe roata din imagine cu doi magneți distanțați identic, tensiunea de la senzor atinge vârfuri cu un factor de doi pe rotație. Această schemă este folosită în mod obișnuit pentru a controla viteza unităților de disc.
Senzorii Hall sunt adesea folosiți ca magnetometre , adică pentru măsurarea câmpurilor magnetice sau inspectarea materialelor (cum ar fi țevi sau conducte) folosind principiile scurgerii fluxului magnetic .
Dispozitivele cu efect Hall produc niveluri de semnal foarte scăzute și, prin urmare, necesită amplificare. Deși amplificatoarele cu tuburi din prima jumătate a secolului al XX-lea erau potrivite pentru instrumente de laborator, erau prea scumpe, consumau energie și nu erau de încredere pentru utilizarea de zi cu zi. Numai odată cu dezvoltarea unui circuit integrat ieftin , senzorul cu efect Hall a devenit potrivit pentru aplicarea în masă. Multe dispozitive vândute acum ca senzori cu efect Hall conțin de fapt atât senzorul așa cum este descris mai sus, cât și un amplificator de circuit integrat (IC) cu câștig ridicat în același pachet. Progresele recente au adăugat un convertor A/D și I²C (protocol de comunicare inter-circuit integrat) în același pachet pentru conectarea directă la un port I/O al microcontrolerului .
Dispozitivele cu efect Hall (atunci când sunt ambalate corespunzător) sunt imune la praf, murdărie și apă. Aceste caracteristici fac ca dispozitivele cu efect Hall să fie mai bune pentru determinarea poziției decât mijloacele alternative, cum ar fi măsurătorile optice și electromecanice.
Când electronii trec printr-un conductor, se creează un câmp magnetic. Astfel, este posibil să se creeze un senzor de curent fără contact. Aparatul are trei terminale. Tensiunea senzorului este aplicată la două terminale, iar al treilea furnizează o tensiune proporțională cu curentul măsurat. Acest lucru are mai multe avantaje: nu este necesară nicio rezistență suplimentară ( șunt necesar pentru cea mai comună metodă de măsurare a curentului) în circuitul primar. În plus, tensiunea prezentă pe linia de măsurat nu este transmisă senzorului, ceea ce mărește siguranța echipamentului de măsurare.
Fluxul magnetic din mediu (cum ar fi alte fire) poate scădea sau crește câmpul pe care senzorul Hall intenționează să îl măsoare, făcând rezultatele inexacte.
Metodele de măsurare a pozițiilor mecanice într-un sistem electromagnetic, cum ar fi un motor DC fără perii, includ (1) efectul Hall, (2) un codificator optic (cum ar fi codificatoarele absolute și incrementale ) și (3) o tensiune indusă prin deplasarea unui miez metalic introdus într-un transformator . Când efectul Hall este comparat cu metodele fotosensibile, este mai dificil să se obțină o valoare absolută cu Hall. Măsurătorile Hall sunt, de asemenea, sensibile la câmpurile magnetice parazite.
Senzorii cu efect Hall sunt disponibili de la un număr de producători diferiți și pot fi utilizați într-o varietate de senzori, cum ar fi senzori de viteză de rotație (roți de biciclete, dinți de viteză, vitezometre auto, sisteme de aprindere electronică), senzori de flux de fluid , senzori de curent și senzori de presiune . Aplicațiile obișnuite sunt adesea găsite acolo unde este necesar un comutator sau un potențiometru robust și fără contact. Acestea includ: pistoale electrice airsoft , declanșatoare electropneumatice pentru pistolul de paintball , controlere de viteză pentru kart, smartphone-uri și unele sisteme de poziționare globală.
Convertor de curent cu un toroid de ferită pe efectul HallSenzorii Hall pot detecta cu ușurință câmpurile magnetice parazite, inclusiv câmpurile magnetice ale Pământului, astfel încât funcționează bine ca busole electronice: dar asta înseamnă și că astfel de câmpuri parazite pot împiedica măsurătorile precise ale câmpurilor magnetice mici. Pentru a rezolva această problemă, senzorii Hall sunt adesea integrați cu un fel de scut magnetic. De exemplu, un senzor Hall integrat într-un inel de ferită (așa cum se arată) poate reduce detectarea câmpurilor parazite cu un factor de 100 sau mai bine (deoarece câmpurile magnetice externe se anulează în inel, nefiind flux magnetic rezidual ). Această configurație oferă, de asemenea, un raport semnal-zgomot de peste 20 de ori mai bun și efecte de deriva decât un dispozitiv Hall neacoperit.
Raza de acțiune a acestui senzor poate fi extinsă în sus și în jos cu cabluri adecvate. Pentru a extinde domeniul la curenți mai mici, prin gaură pot fi făcute mai multe spire de sârmă purtătoare de curent, fiecare tură adăugând aceeași cantitate la ieșirea senzorului; la instalarea senzorului pe o placă de circuit imprimat, turele pot fi efectuate cu suporturi pe placă. Pentru a extinde domeniul la curenți mai mari, poate fi utilizat un divizor de curent. Divizorul împarte curentul în două fire de lățimi diferite, iar firul mai subțire, care transportă o parte mai mică din curentul total, trece prin senzor.
Senzor inel divizatSenzorul inel Hall este utilizat la cleme de măsură . Aparatul de măsurare este fixat pe linie, ceea ce permite utilizarea dispozitivului în echipamente de testare. Când se utilizează într-o instalație fixă, această metodă permite verificarea curentului electric fără a demonta circuitul existent.
Înmulțirea analogicăSemnalul de ieșire este proporțional cu câmpul magnetic aplicat și cu tensiunea senzorului aplicat. Dacă un câmp magnetic este aplicat de un solenoid, ieșirea senzorului este proporțională cu produsul dintre curentul prin solenoid și tensiunea senzorului. Deoarece majoritatea aplicațiilor de calcul sunt efectuate în prezent de computere digitale mici , o aplicație utilă rămasă este măsurarea puterii într-un singur dispozitiv cu efect Hall care combină măsurarea curentului cu măsurarea tensiunii.
Măsurarea puteriiMăsurând curentul furnizat sarcinii și utilizând tensiunea aplicată dispozitivului, se poate determina puterea disipată de dispozitiv.
Determinarea poziției și mișcăriiDispozitivele cu efect Hall utilizate în senzorii de mișcare și comutatoarele limită de mișcare pot oferi o fiabilitate sporită în condiții extreme. Deoarece nu există piese mobile în interiorul senzorului sau magnetului, speranța de viață tipică este crescută în comparație cu comutatoarele electromecanice tradiționale. În plus, senzorul și magnetul pot fi închise într-un material de protecție adecvat. Această aplicație este utilizată în motorul de curent continuu fără perii .
Senzorii cu efect Hall atașați la pickup-uri mecanice care au ace indicator magnetizate pot converti poziția fizică sau orientarea acului indicator mecanic într-un semnal electric care poate fi utilizat de indicatoare electronice, comenzi sau dispozitive de comunicație [3] .
Aprindere auto și injecție de combustibilFolosit în mod obișnuit în distribuitoare pentru a determina momentul aprinderii și în unele tipuri de senzori de poziție a arborelui cotit și a arborelui cu came pentru a determina sincronizarea impulsului de injecție, măsurarea vitezei și așa mai departe. Senzorul cu efect Hall este utilizat ca un înlocuitor direct pentru punctele de întrerupere mecanice utilizate în aplicațiile auto anterioare. Utilizarea sa ca dispozitiv pentru reglarea timpului de aprindere în distribuitoare de diferite tipuri este după cum urmează. Un magnet permanent staționar și un cip semiconductor cu efect Hall sunt montați unul lângă celălalt și separate printr-un spațiu de aer pentru a forma un senzor cu efect Hall. Un rotor metalic, format din ferestre și proeminențe, este montat pe un arbore și amplasat astfel încât, în timpul rotației arborelui, ferestrele și proeminențele să treacă prin spațiul de aer dintre magnetul permanent și cristalul semiconductor Hall. Acest lucru protejează și expune efectiv cipul Hall la un câmp de magnet permanent, în funcție de dacă urechea sau fereastra trece prin senzorul Hall. Pentru a determina momentul aprinderii, rotorul metalic va avea o serie de proeminențe și ferestre de aceeași dimensiune corespunzătoare numărului de cilindri ai motorului. Acest lucru oferă o ieșire uniformă de undă pătrată, deoarece timpii de pornire și oprire (protecție și expunere) sunt aceleași. Acest semnal este utilizat de computerul motorului sau de ECU pentru a controla momentul aprinderii. Mulți senzori auto cu efect Hall au un tranzistor NPN cu emițător de pământ, cu colector deschis, interior , ceea ce înseamnă că, în loc să fie generată tensiunea pe firul de ieșire a semnalului senzorului cu efect Hall, tranzistorul pornește, oferind un circuit la masă prin fir de ieșire de semnal.
Determinarea vitezei roțiiO aplicație importantă a senzorului Hall a fost găsită în sistemele de frânare antiblocare . Principiile de funcționare a unor astfel de sisteme au fost extinse și rafinate pentru a oferi mai multe posibilități decât funcția anti-derapare. Acum oferă îmbunătățiri avansate în manevrarea vehiculelor.
Control motorUnele tipuri de motoare BLDC folosesc senzori cu efect Hall pentru a determina poziția rotorului și pentru a transmite aceste informații către controlerul motorului. Acest lucru îmbunătățește acuratețea controlului motorului.
Aplicații industrialeAplicațiile cu efect Hall s-au răspândit și în aplicațiile industriale, folosind acum joystick -uri cu efect Hall pentru a controla supapele hidraulice, înlocuind pârghiile mecanice tradiționale cu un senzor de proximitate. Astfel de aplicații includ camioane pentru minerit, buldoexcavatoare, macarale, excavatoare, ascensoare foarfece și așa mai departe.