Senzor Hallova efektu
Hallovy senzory detekují sílu a směr magnetického pole permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Výstup Hallova senzoru je funkcí jeho magnetického pole a dokáže detekovat pozitivní i negativní magnetická pole.
Princip činnosti snímače Hallova jevu
Vnější magnetické pole aktivuje senzory Hallova jevu. Magnetická pole jsou reprezentována hustotou toku (B) a jeho magnetickými póly, jako je buď severní pól nebo jižní pól. Magnetismus kolem senzoru hall efektu určuje jeho výstupní signál. Když okolní hustota magnetického toku překročí předem stanovenou prahovou hodnotu, snímač vytvoří Hallovo napětí, VH.
Polovodičové senzory jsou polovodiče typu p, jako je arsenid galia (GaAs), arsenid india (InAs) a antimonid india (InSb), které vedou stejnosměrný proud. Polovodičový materiál je vystaven působení síly v přítomnosti magnetického pole, což způsobuje pohyb elektronů i děr ke stranám polovodičové vrstvy. Jak se elektrony a díry pohybují na obě strany, vzniká potenciální rozdíl mezi různými stranami polovodičů. V plochých pravoúhlých materiálech má vnější magnetické pole kolmé na polovodičový materiál větší vliv na pohyblivost elektronů.
Hallův jev ukazuje typ magnetického pólu a jeho intenzitu pole. Například na jednom z pólů magnetu je napětí, ale na druhém ne. Senzory s Hallovým efektem jsou obvykle „vypnuté“ a fungují jako otevřený obvod, když není žádné magnetické pole. Jsou uzavřeny pouze pod silně polarizovaným magnetickým polem (uzavřený obvod).
Charakteristika Hallova magnetického snímače
Halové napětí (V H ) Hallova senzoru je funkcí jeho intenzity magnetického pole (H). Většina komerčních zařízení s halovým efektem zahrnuje stejnosměrné zesilovače, spínací logické obvody a regulátory napětí v nich pro zlepšení citlivosti senzoru a výstupního napětí. To umožňuje, aby snímač Hallova efektu zvládl více energie a magnetických polí.
Schéma obvodu magnetického snímače s Hallovým efektem
Poloaktivní snímače mají lineární nebo digitální výstupy. Výstupní napětí lineárního snímače přímo souvisí s magnetickým polem procházejícím Hallovým snímačem a je vydáváno operačním zesilovačem.
Hallova rovnice napětí
Rovnice výstupního napětí je dána vztahem:
Tady, V H označuje halové napětí, R H značí koeficient hallova jevu, I značí proud, t tloušťku a B značí hustotu magnetického toku. Lineární nebo analogové senzory produkují konstantní napětí, které se zvyšuje se silnějšími magnetickými poli a klesá se slabšími poli. U snímače s hallovým efektem se se zvyšující se silou magnetického pole výstupní signál zesilovače zvyšuje, dokud se napájecí zdroj nenasytí. Zvýšení magnetického pole způsobí saturaci výstupu, ale nemá žádný účinek:
Když výstup Hallova senzoru překročí předem stanovenou úroveň magnetického toku, který jím protéká, kontakty se rychle přepnou ze stavu „sepnuto“ do stavu „otevřeno“, aniž by došlo k odskoku. Tato vestavěná hystereze zabraňuje oscilaci výstupního signálu při pohybu snímače do magnetického pole. To znamená, že digitální výstupní senzor má pouze stavy „zapnuto“ a „vypnuto“.
Typy snímačů Hallova jevu
Senzory s Hallovým efektem mohou být dvou typů: bipolární senzory s halovým efektem a unipolární senzory s halovým efektem. Unipolární senzory mohou fungovat a vybíjet se při vstupu a výstupu z magnetického pole se stejným jižním magnetickým pólem, zatímco bipolární senzory vyžadují k provozu a vybíjení kladná i záporná magnetická pole. Vzhledem k jejich 10-20mA výstupním schopnostem měniče nemůže většina zařízení s hallovým efektem přímo spínat vysoké proudové zatížení. Pro silnoproudé zátěže je k výstupu přidán tranzistor NPN s uspořádáním s otevřeným kolektorem.
Aplikace senzorů Hallova jevu
Senzory s hallovým efektem jsou zapnuty v přítomnosti magnetických polí a jsou ovládány jedním permanentním typem magnetu na pohyblivé hřídeli nebo zařízení. Pro maximalizaci citlivosti musí být čáry magnetického toku kolmé k poli senzoru a se správnou polarizací ve všech konfiguracích.
1: Head on Detection
Vyžaduje, aby magnetické pole bylo kolmé na detektor Hallova efektu, jak je znázorněno níže:
Tato technika produkuje výstupní signál, V H , který měří hustotu magnetického toku v lineárních zařízeních jako funkci vzdálenosti od snímače Hallova jevu. Výstupní napětí se zvyšuje se silou magnetického pole a jeho blízkostí.
2: Boční detekce
Vyžaduje nepřímý magnetický tok, zatímco se magnet pohybuje do stran přes prvek s hallovým efektem.
Boční nebo pohyblivé senzory mohou měřit rychlost rotujících magnetů nebo motorů detekcí magnetického pole klouzajícího po povrchu Hallova prvku v určité vzdálenosti od vzduchové mezery.
Kladné nebo záporné lineární výstupní napětí lze vytvořit v závislosti na poloze magnetického pole procházejícího středovou osou nulového pole snímače. Určuje vertikální a horizontální pohyby.
3: Řízení polohy
Detektor polohy zůstává ve stavu „vypnuto“, když není žádné magnetické pole. Jakmile se jižní pól magnetu posune kolmo k blízkosti senzoru Hallova efektu, zařízení se „zapne“ a LED se rozsvítí. Po zapnutí je snímač Hallova efektu ve stavu „ON“.
Pro vypnutí LED musí magnetické pole klesnout pod svůj minimální detekovatelný spouštěcí bod, nebo může být také konfrontováno s opačným severním pólem se zápornou hodnotou Gauss.
Závěr
Senzory s hallovým efektem se používají pro detekci směru i síly magnetických polí. Používají se v široké škále aplikací, včetně automobilového průmyslu, snímání blízkosti, detekce čelní, boční a polohové detekce pro různá magnetická pole.