Czujniki - konwertery jednej wielkości fizycznej na drugą (zwykle na elektryczną) są szeroko stosowane w sprzęcie domowym i przemysłowym. Bez nich bardzo trudno, jeśli nie niemożliwe, zmierzyć, zdigitalizować i przetworzyć takie parametry technologiczne jak ciśnienie i przepływ (gaz lub ciecz), temperatura, poziom, natężenie pola magnetycznego lub elektrycznego itp. Jednym z najczęściej stosowanych czujników jest czujnik Halla - znajdują one zastosowanie zarówno w życiu codziennym (począwszy od smartfonów czy laptopów), jak i w najbardziej złożonej technologii przemysłowej.
Zawartość
Efekt Halla - zasada działania
Efekt ten został odkryty w 1879 roku przez amerykańskiego fizyka Edwina Halla i nazwany jego imieniem.Istotą zjawiska jest to, że jeśli weźmiemy metalową płytkę i przepuścimy przez nią prąd elektryczny (w kierunku AB na rysunku), a następnie zadziałamy na płytkę polem magnetycznym, na przykład wytworzonym przez magnes trwały, następnie w kierunku prostopadłym do przepływu prądu (CD na rysunku) wystąpi różnica potencjałów.
Efekt ten występuje dzięki sile Lorentza działającej na poruszające się ładunki i przemieszczaniu ich w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. W efekcie na krawędziach płytki powstaje różnica potencjałów, którą można zmierzyć lub wykorzystać do wyzwalania elementów wykonawczych (przedwzmacniacz). Ta różnica zależy od:
- z siły płynącego prądu;
- z siły pola magnetycznego;
- na koncentrację nośników ładunków swobodnych w przewodzie.
Zjawisko nosi imię jego odkrywcy – efekt Halla.
Rodzaje i rozmieszczenie czujników Halla
Efekt, odkryty przed stuleciem, znalazł praktyczne zastosowanie. Na jej podstawie budowane są czujniki pola magnetycznego. Ich zaletą jest to, że nie posiadają elementów ruchomych i trących (w przeciwieństwie do kontaktronów), dzięki czemu ich niezawodność jest znacznie wyższa. Zgodnie z zasadą wrażliwości czujniki przemysłowe Hale dzielą się na:
- jednobiegunowy (reaguje tylko na jeden biegun magnetyczny - północny lub południowy);
- bipolarny (włącz po wystawieniu na działanie pola magnetycznego o jednej polaryzacji, wyłącz po wystawieniu na działanie pola magnetycznego o przeciwnej polaryzacji);
- omnipolar - reagują na dowolne bieguny magnesów.
Różnica potencjałów wytworzona przez działanie pola magnetycznego na poruszające się ładunki to jednostki, w najlepszym razie dziesiątki mikrowoltów. Dla praktycznego zastosowania to nie wystarczy, należy zwiększyć różnicę potencjałów. Wzmacniacze te są wbudowane bezpośrednio w korpus czujników, a w zależności od typu wzmacniacza, urządzenia są podzielone na dwie klasy.
- Analog. W nich napięcie na wyjściu czujnika jest proporcjonalne do pola magnetycznego (zależy to od siły magnesu i odległości od niego). Zbudowane na bazie wzmacniacza operacyjnego i służą do pomiaru pól magnetycznych.
- Cyfrowy. Po zainstalowaniu wzmacniacza komparator lub spust Schmitta. Napięcie wyjściowe, gdy indukcja magnetyczna osiągnie pewien próg, przeskakuje od zera do wysokiego poziomu (zwykle do poziomu napięcia zasilania). Takie czujniki służą do budowy przekaźników magnetycznych lub generatorów impulsów. Wzmocniony sygnał z płytki jest podawany na urządzenie progowe. Po osiągnięciu ustawionego poziomu czujnik zostaje wyzwolony. Poziom wyzwalania można regulować, zmieniając odległość czujnika od źródła pola magnetycznego.
Zastosowanie czujników Halla
Najczęstszym zastosowaniem czujnika Halla w życiu codziennym są bezdotykowe układy zapłonowe samochodów. Ich zaletą jest brak mechanicznych grup kontaktowych. Oznacza to brak zużycia, przepalenia styków, brak ryzyka awarii mechanicznej.
System dystrybucji obejmuje płytę z półkami napędzaną wałem korbowym silnika, magnes stały i sam czujnik Halla. Gdy płyta się obraca, występy w ściśle określonym momencie, wyznaczonym przez położenie wału korbowego, wpadają w szczelinę między czujnikiem a magnesem, zmieniając parametry pola magnetycznego.Czujnik generuje impulsy zsynchronizowane z obrotem wału korbowego, które regulują dostarczanie napięcia do cewki wysokiego napięcia w wymaganych punktach czasowych. Ponadto czujniki pola magnetycznego w samochodzie służą do rozpoznawania położenia wału korbowego.
Innym zastosowaniem czujników wrażliwych magnetycznie jest określenie położenia wirników silników elektrycznych. Element przekaźnikowy jest montowany na stojanie silnika i jest aktywowany po przejściu bieguna. Na tej zasadzie można zbudować obrotomierz lub prędkościomierz.
Urządzenia zbudowane na efekcie Halla znajdują zastosowanie w laptopach lub urządzeniach mobilnych - jako wskaźnik pozycji zamkniętej pokrywy. Po uruchomieniu czujnika komputer przechodzi w stan uśpienia lub wyłącza się. A w smartfonach jedną z funkcji czujnika reagującego na pole magnetyczne Ziemi jest organizacja kompasu elektronicznego.
Analogowe czujniki Halla znajdują zastosowanie w przyrządach pomiarowych - tam, gdzie konieczna jest ocena poziomu pola magnetycznego. Są niezbędne do bezdotykowego pomiaru natężenia prądu w przewodzie. Jak wiecie, kiedy prąd przepływa przez przewodnik, wokół niego powstaje pole magnetyczne. Jego intensywność zależy od siły prądu. Jeśli prąd jest zmienny, to pole można mierzyć w inny sposób (na przykład za pomocą przekładnika prądowego), ale przy prądzie stałym niezbędny jest czujnik Halla. Cęgi prądowe DC działają na tej zasadzie.
Najbardziej egzotycznym zastosowaniem efektu Halla jest budowa na jego zasadzie jonowych silników rakietowych.
Jak sprawdzić czujnik Halla pod kątem wydajności?
Aby sprawdzić czujnik, możesz złożyć prosty obwód, do którego oprócz samego czujnika będziesz potrzebować:
- zasilanie dla żądanego napięcia;
- rezystor o rezystancji około 1 kOhm;
- Dioda LED;
- magnes.
Jeśli nie ma diody LED, to zamiast niej (i rezystora ograniczającego prąd) możesz użyj multimetru (cyfrowy lub wskaźnikowy) w trybie pomiaru napięcia.
Nie ma specjalnych wymagań dotyczących zasilania - prądy w obwodzie są bardzo małe. Jego napięcie musi mieścić się w zakresie napięcia zasilania testowanego czujnika. Dioda LED jest połączona z anodą do plusa źródła napięcia, katoda do wyjścia testowanego urządzenia, ponieważ czujnik jest zwykle wykonany z otwartym kolektorem (ale lepiej to sprawdzić w arkuszu danych).
Procedura testowa zależy od typu testowanego urządzenia.
- Aby przetestować jednobiegunowy czujnik cyfrowy, należy przyłożyć do niego magnes jednym biegunem. Dioda powinna się zaświecić (strzałka woltomierza wskaźnikowego odbiega lub odczyty miernika cyfrowego zmieniają się gwałtownie). Po odsunięciu magnesu na znaczną odległość obwód powinien powrócić do swojej pierwotnej pozycji. Jeśli czujnik nie działa, należy odwrócić magnes drugim biegunem i powtórzyć procedurę. Jeśli dioda miga, czujnik działa. Jeśli nie udało się osiągnąć sukcesu w żadnej pozycji magnesu, urządzenie jest bezużyteczne.
- Dwubiegunowy czujnik cyfrowy jest testowany przy użyciu podobnej techniki, tylko dioda LED świeci w jednym miejscu magnesu i nie gaśnie po usunięciu źródła pola magnetycznego. Obwód nie powinien reagować na dalsze manipulacje tym samym biegunem. Jeśli odwrócisz magnes i przyłożysz go do czujnika w odwrotnej polaryzacji, dioda LED powinna zgasnąć. Wskazuje to kondycję testowanego urządzenia.Jeśli obwód nie działa, czujnik jest niesprawny.
- Wielobiegunowy cyfrowy czujnik Halla jest testowany w taki sam sposób jak jednobiegunowy, ale urządzenie czułe magnetycznie powinno działać w dowolnej pozycji magnesu.
Czujniki analogowe są sprawdzane w taki sam sposób jak cyfrowe, ale napięcie wyjściowe nie powinno zmieniać się gwałtownie, ale płynnie wraz ze wzrostem siły magnetycznej (na przykład zbliżanie się magnesu stałego lub wzrost prądu w uzwojeniu elektromagnesu).
Z praktycznego punktu widzenia interesujące jest pytanie, jak sprawdzić czujnik Halla zamontowany w bezdotykowym układzie zapłonowym samochodu. W tym celu należy wyjąć złącze z czujnika i zamontować wskazany obwód bezpośrednio na pinach.
Tutaj możesz również zastąpić diodę LED multimetrem. Obracając ręcznie wałem korbowym samochodu, można zaobserwować okresowe błyski diody LED lub zmiany napięcia wyjściowego od zera do w przybliżeniu napięcia układu elektrycznego samochodu. Alternatywnym sposobem sprawdzenia w warsztacie jest chwilowa wymiana urządzenia na znany dobry czujnik zapasowy.
Czujnik Halla znalazł szerokie zastosowanie w sprzęcie domowym i przemysłowym. Sprawdzenie jego użyteczności nie jest trudne, jeśli rozumie się zasadę jego działania.
Podobne artykuły:
