Czujnik Halla: urządzenie, zasada działania, rodzaje i zastosowania przetwornika

Czujnik Halla - urządzenie przeznaczone do pomiaru natężenia pola magnetycznego. Jego działanie opiera się na efekcie Halla, czyli zjawisku pojawiania się różnicy potencjałów w polu magnetycznym po umieszczeniu w nim przewodnika prądu stałego. Urządzenie to znalazło szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach i mechanizmach.

Historia powstania urządzenia

Pod koniec XIX wieku amerykański naukowiec z Baltimore, Edwin Herbert Hall, umieścił płytkę półprzewodnikową w polu magnetycznym i podłączył do niej prąd elektryczny. To działanie spowodowało naprężenia na szerokich bokach płyty.

Zjawisko to nazywane jest efektem Halla i przyciągnęło uwagę opinii publicznej. 75 lat później, kiedy przemysł zaczął produkować folie półprzewodnikowe, odkrycie to znalazło szerokie zastosowanie w dziedzinie technologii. Obecnie stosowane są czujniki:

1. Elektroniczny zapłon w samochodach.
instagram viewer
2. W napędach komputerowych i silnikach wentylatorów.
3. Jako podstawa elektronicznego kompasu w smartfonach.
4. W bezdotykowych urządzeniach elektrycznych do pomiaru prądu i napięcia.
5. W niektórych modelach silników odrzutowych jonowych.

Pierwsze typy czujników zaczęto produkować w połowie XX wieku. W 1965 roku amerykańscy eksperci stworzyli urządzenie półprzewodnikowe, które znacznie poprawiło wydajność sprzętu. Czujniki są uważane za praktycznie wieczne, ponieważ nie mają elementów oddziałujących i trących.

Cechy konstrukcyjne

Półprzewodniki z arsenku galu i indu są uważane za najskuteczniejsze materiały do ​​produkcji czujnika. Najczęściej urządzenie jest folią, której grubość nie przekracza 10 mikronów. Czujnik posiada trzy zaciski:

• zasilacz o napięciu wejściowym 6V;
• zerowy kontakt;
• wyjście, z którego sygnał trafia do przełącznika.

Terminal, do którego pasuje zasilacz, jest szeroki i zajmuje cały bok prostokąta. Zacisk wyjściowy ma elektrodę punktową. Wspólny punkt działa jak kontakt zerowy. Ponieważ przy braku pola magnetycznego na stykach pozostaje niewielki sygnał, do korekcji danych wyjściowych stosowany jest wzmacniacz różnicowy.

Mikroukład nakładany jest na podłoże za pomocą litografii, co poprawia dokładność odczytów. Zwykle w różnych urządzeniach służy to do sprawdzenia położenia elementów mechanizmu.

Zasada działania

Zasada działania czujnika Halla opiera się na zjawisku galwanomagnetycznym, które przedstawia wynik oddziaływania pola magnetycznego z półprzewodnikiem. Półprzewodnik jest podłączony do obwodu elektrycznego, który zmienia jego właściwości.

Gdy tylko pojawi się naprężenie poprzeczne, natychmiast pojawia się efekt Halla. W tym momencie ładunek skierowany jest prostopadle do wektora pola. Zjawisko to tłumaczy się oddziaływaniem na elektrony lub dziury siły Lorentza, co prowadzi do ich ugięcia.

Pod wpływem tej siły cząstki w półprzewodniku poruszają się w różnych kierunkach, zgodnie z ich znakiem. Elektrony (ładunek ujemny) gromadzą się po jednej stronie płytki, a cząstki z dodatnim znakiem po drugiej.

Gdy ładunki gromadzą się między nimi, powstaje przepływ elektryczny, który zapobiega ich przemieszczaniu się pod wpływem siły Lorentza. Po osiągnięciu równości tej siły i pola magnetycznego, półprzewodnik wchodzi w fazę równowagi. Tak działa czujnik Halla.

Rodzaje urządzeń

Głównym zadaniem tego urządzenia jest określenie siły strumienia magnetycznego. W praktyce jest to czujnik do wyznaczania wartości pola magnetycznego. Istnieją dwa rodzaje czujników:

• cyfrowy;
• analog.

Instrumenty cyfrowe są bipolarne i jednobiegunowe. Elementy bipolarne działają w zależności od polaryzacji pola magnetycznego, czyli jeden włącza czujnik, a drugi go wyłącza.

Urządzenia jednobiegunowe włączają się, gdy pojawia się jakakolwiek polaryzacja i wyłączają się, gdy maleje. Czujniki cyfrowe mierzą indukcję i występowanie odpowiedniego napięcia, czyli obecność lub brak pola magnetycznego.

Przyrząd wyświetla jeden, gdy indukcja pola osiągnie wartość progową. Do tego momentu czujnik pokaże zero. Taki czujnik nie będzie w stanie wykryć obecności pola magnetycznego o słabej indukcji. Ponadto odległość do mierzonego obiektu wpłynie na dokładność odczytów.

Zastosowanie czujnika

Przetworniki Halla są szeroko stosowane w nowoczesnym sprzęcie AGD. Z ich pomocą pranie jest ważone w pralkach. Kiedy jednostka jest uruchamiana, rzeczy najpierw stają się mokre, a następnie bęben zaczyna się obracać. Całkowita waga zależy od prędkości obrotowej, a maszyna jest zaprogramowana na zużycie proszku, wody i nabłyszczacza.

W produkcji seryjnej po raz pierwszy zastosowano czujniki w klawiaturach komputerowych. Tutaj zachodzi interakcja elementu czujnikowego na płytce i magnesu na klawiszach. Elastyczność zapewnia materiał polimerowy, który ma długą żywotność.

Jedyne, co może się zepsuć w klawiaturze, to kontroler. Czujniki Halla są bardzo często używane przez elektryków.przy pomiarze natężenia prądu w przewodach za pomocą cęgów bezstykowych. Miernik reaguje na zmiany pola elektromagnetycznego wokół kabli i przewodów.

Ze względu na indukcyjność drutu miedzianego w zacisku generowane jest wzbudzenie i generowana jest fala elektromagnetyczna. Część jego wartości jest szacowana przez czujnik, który przekazuje dane do sterownika. Zgodnie z osadzonymi w nim formułami wykonywane są obliczenia i wyświetlany jest wynik.

Czujniki wykorzystywane są w telefonach komórkowych do monitorowania stanu naładowania baterii i jej zużycia. Ale taki moment jest uważany za bardzo ważny w działaniu pojazdów elektrycznych, ponieważ obecność w nich energii zajmuje szczególne miejsce. Przetworniki Halla stosowane są w kompasach elektronicznych oraz jako stabilizator obrazu w kamerach mobilnych.

Ale te urządzenia są szczególnie szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. W samochodach służą do określania prędkości silnika, położenia przepustnicy, prędkości pojazdu i tak dalej. W elektronicznym układzie zapłonowym zastosowano czujnik. Znajduje się w dystrybutorze i zastępuje styki, tworząc iskrę.

Korzystanie z czujników w smartfonach

Ze względu na swoje niewielkie rozmiary czujniki Halla znajdują szerokie zastosowanie w nowoczesnych gadżetach elektronicznych. W smartfonach pomagają przywrócić ekran do pierwotnej pozycji, zapewniają szybkie rozpoczęcie wyszukiwania GPS, wydłużają żywotność baterii i tak dalej.

Zdolność do reagowania na pola magnetyczne jest wykorzystywana w składanych telefonach i laptopach. Ze względu na obecność czujnika urządzenia są włączane po otwarciu i wyłączane po zamknięciu ekranu. W smartfonach tę samą funkcję pełni czujnik, który współdziała z magnesem wbudowanym w okładkę książki. Po otwarciu pokrywy efekt pola jest osłabiony i czujnik włącza podświetlenie ekranu. Transformator Halla w gadżetach spełnia następujące przydatne funkcje:

• zapewnia orientację w stosunku do horyzontu ziemi;
• działa jak kompas urządzenia mobilnego;
• wykonuje orientację ekranu.

Czujnik ma niemałe znaczenie w urządzeniu kamery wideo. Wraz ze specjalnym mikroukładem pozwala dostosować jakość obrazu. Jest to szczególnie ważne podczas kręcenia wieczorem.