Сензори - преобразуватели на една физическа величина в друга (обикновено в електрически) се използват широко в домакинството и промишленото оборудване. Без тях е много трудно, ако не и невъзможно, да се измерват, дигитализират и обработват такива технологични параметри като налягане и поток (газ или течност), температура, ниво, сила на магнитно или електрическо поле и др. Един от най-широко използваните сензори е сензорът на Хол - те се използват както в ежедневието (започвайки със смартфони или лаптопи), така и в най-сложните индустриални технологии.
Съдържание
Ефект на Хол - принцип на действие
Този ефект е открит през 1879 г. от американския физик Едуин Хол и е кръстен на него.Същността на явлението е, че ако вземете метална плоча и преминете през нея електрически ток (в посока AB на фигурата) и след това въздействате върху плочата с магнитно поле, например, създадено от постоянен магнит, тогава в посоката, перпендикулярна на преминаването на тока (CD на фигурата), ще има потенциална разлика.
Този ефект възниква поради силата на Лоренц, действаща върху движещи се заряди и ги измества в посока, перпендикулярна на посоката на движение. В резултат на това в краищата на плочата възниква потенциална разлика, която може да бъде измерена или използвана за задействане на задвижващи механизми (предварително усилване). Тази разлика зависи от:
- от силата на протичащия ток;
- от силата на магнитното поле;
- върху концентрацията на свободните носители на заряд в проводника.
Феноменът е кръстен на своя откривател – ефектът на Хол.
Видове и разположение на сензорите на Хол
Ефектът, открит още през миналия век, намери практическо приложение. Въз основа на него се изграждат сензори за магнитно поле. Предимството им е, че нямат движещи се и триещи елементи (за разлика от тръстиковите превключватели), така че тяхната надеждност е много по-висока. Според принципа на чувствителността промишлени сензори Залите са разделени на:
- еднополюсен (реагира само на един магнитен полюс - северен или южен);
- биполярно (включва се, когато е изложено на магнитно поле с една полярност, изключва се, когато е изложено на магнитно поле с противоположна полярност);
- омниполярни - реагират на всякакви полюси на магнити.
Потенциалната разлика, създадена от действието на магнитно поле върху движещи се заряди, е единици, в най-добрия случай десетки микроволта. За практическо приложение това не е достатъчно, потенциалната разлика трябва да се увеличи. Тези усилватели са вградени директно в корпуса на сензорите, като според вида на усилвателя устройствата се делят на два класа.
- Аналогов. При тях напрежението на изхода на сензора е пропорционално на магнитното поле (зависи от силата на магнита и разстоянието от него). Изградени на базата на операционен усилвател и се използват за измерване на магнитни полета.
- Дигитален. След инсталиране на усилвател компаратор или спусъка на Шмит. Изходното напрежение, когато магнитната индукция достигне определен праг, скача от нула до високо ниво (обикновено до нивото на захранващото напрежение). Такива сензори се използват за изграждане на магнитни релета или импулсни генератори. Усиленият сигнал от плочата се прилага към праговото устройство. Когато се достигне зададеното ниво, сензорът се задейства. Нивото на задействане може да се регулира чрез промяна на разстоянието от сензора до източника на магнитно поле.
Приложение на сензори на Хол
Най-честото приложение на сензора на Хол в ежедневието е безконтактните системи за запалване на автомобила. Предимството им е липсата на механични контактни групи. Това означава, че няма износване, няма изгаряне на контактите, няма риск от механична повреда.
Разпределителната система включва плоча с первази, задвижвани от коляновия вал на двигателя, постоянен магнит и самият сензор на Хол. Когато пластината се върти, издатините в строго определен момент, определен от положението на коляновия вал, попадат в пролуката между сензора и магнита, променяйки параметрите на магнитното поле.Сензорът генерира импулси, синхронизирани с въртенето на коляновия вал, които регулират подаването на напрежение към бобината с високо напрежение в необходимите времеви точки. Също така сензорите за магнитно поле в автомобила се използват за разпознаване на позицията на коляновия вал.
Друга употреба на магнитно чувствителни сензори е да се определи положението на роторите на електродвигателите. Релейният елемент е монтиран на статора на двигателя и се активира при преминаване на полюса. На този принцип можете да изградите оборотомер или скоростомер.
Устройствата, изградени върху ефекта на Хол, се използват в лаптопи или мобилни устройства - като индикатор за затвореното положение на капака. Когато сензорът се задейства, компютърът преминава в режим на заспиване или се изключва. А в смартфоните една от функциите на сензора, който реагира на магнитното поле на Земята, е организацията на електронния компас.
Аналоговите сензори на Хол се използват в измервателни уреди - където е необходимо да се оцени нивото на магнитното поле. Те са незаменими за безконтактно измерване на силата на тока в проводник. Както знаете, когато токът преминава през проводник, около него възниква магнитно поле. Интензитетът му зависи от силата на тока. Ако токът е променлив, тогава полето може да бъде измерено по други начини (например с токов трансформатор), но с постоянен ток сензорът на Хол е незаменим. На този принцип работят клемите за постоянен ток.
Най-екзотичното приложение на ефекта на Хол е конструирането на йонни ракетни двигатели на неговия принцип.
Как да проверите работата на сензора на Хол
За да проверите сензора, можете да сглобите проста схема, за която в допълнение към самия сензор ще ви трябва:
- захранване за желаното напрежение;
- резистор със съпротивление около 1 kOhm;
- Светодиод;
- магнит.
Ако няма светодиод, тогава вместо него (и токоограничаващия резистор) можете използвайте мултицет (цифрово или стрелково) в режим на измерване на напрежение.
Няма специални изисквания към захранването - токовете във веригата са много малки. Неговото напрежение трябва да бъде в рамките на захранващото напрежение на изпитвания сензор. Светодиодът е свързан с анода към плюса на източника на напрежение, катодът към изхода на тестваното устройство, тъй като сензорът обикновено се прави с отворен колектор (но е по-добре да го проверите в листа с данни).
Процедурата на изпитване зависи от типа на изпитваното устройство.
- За да тествате еднополюсен цифров сензор, трябва да донесете магнит към него с един полюс. Светодиодът трябва да светне (стрелката на показалеца на волтметъра се отклонява или показанията на цифровия тестер се променят рязко). Когато магнитът се отстрани на значително разстояние, веригата трябва да се върне в първоначалното си положение. Ако сензорът не работи, е необходимо да обърнете магнита с другия полюс и да повторите процедурата. Ако светодиодът мига, сензорът работи. Ако не е постигнат успех в нито една позиция на магнита, устройството е неизползваемо.
- Биполярен цифров сензор се тества с помощта на подобна техника, само светодиодът светва в една позиция на магнита и не изгасва, когато източникът на магнитно поле бъде премахнат. Веригата не трябва да реагира на по-нататъшни манипулации със същия полюс. Ако обърнете магнита и го донесете до сензора в обратна полярност, светодиодът трябва да изгасне. Това показва здравето на тестваното устройство.Ако веригата не работи, сензорът не работи.
- Омниполярен цифров сензор на Хол се тества по същия начин като еднополюсен, но магнитно-чувствителното устройство трябва да работи във всяка позиция на магнита.
Аналоговите сензори се проверяват по същия начин като цифровите, но изходното напрежение не трябва да се променя рязко, а плавно с увеличаване на магнитната сила (например приближаване на постоянен магнит или увеличаване на тока в намотката на електромагнита).
От практическа гледна точка въпросът как да проверите сензора на Хол, инсталиран в безконтактната система за запалване на автомобил, е интересен. За да направите това, извадете конектора от сензора и сглобете посочената верига директно върху щифтовете.
Тук можете също да замените светодиода с мултицет. Завъртайки ръчно коляновия вал на автомобила, можете да наблюдавате периодични мигания на светодиода или промени в изходното напрежение от нула до приблизително напрежението на електрическата система на автомобила. Алтернативен начин за проверка в гараж е временно да смените устройството с известен резервен сензор.
Сензорът на Хол намери широко приложение в домакинството и промишленото оборудване. Не е трудно да го проверите за изправност, ако има разбиране за принципа на неговата работа.
Подобни статии:
