Kas yra Hall/Holo efekto jutiklis?

Pavadinti amerikiečių fiziko Edvino Holo, atradusio, kad elektra ir magnetizmas gali veikti kartu judinant objektus, vardu, Holo efekto jutikliai naudoja šį principą magnetiniu būdu užkoduotą informaciją paversti elektriniais signalais.

Šiuos įrenginius galima pritaikyti įvairiai, o Holo efekto jutikliai dažnai naudojami automobilių sistemose padėties, atstumo ir greičio suvokimui. Šie sumanūs įtaisai naudojami įvairiose srityse, bet bene labiausiai – stabdžių antiblokavimo sistemose (ABS) ir vidaus degimo varikliuose, kurie padeda nustatyti uždegimo laiką.

Šiame vadove bus aprašyta viskas, ką reikia žinoti apie Holo efekto jutiklį, įskaitant įrenginio mokslą, šio jutiklio programas ir tai, kaip atlikti Holo efekto jutiklio matavimus.

Tačiau pirmiausia svarbu suprasti, kaip veikia ši įranga.

Kaip veikia Holo efekto jutikliai?
⤹
Kai elektros srovė teka per bet kurią medžiagą, elektronai srovėje natūraliai juda tiesia linija, o elektra kraudama sukuria savo magnetinį lauką.

Jei elektra įkrauta medžiaga dedama tarp nuolatinio magneto polių, užuot judėjusi tiesia linija, judėdami per medžiagą elektronai nukryps į lenktą kelią. Taip atsitinka todėl, kad jų pačių magnetinis laukas reaguoja į kontrastingą nuolatinio magneto lauką.

Dėl šio naujo lenkto judėjimo vienoje elektra įkrautos medžiagos pusėje yra daugiau elektronų. Dėl to medžiagoje stačiu kampu magnetiniam laukui atsiras potencialų skirtumas (arba įtampa) tiek nuo nuolatinio magneto, tiek nuo elektros srovės srauto.

⤸
Taigi, kaip veikia Hall efekto jutiklis?
Naudojant puslaidininkius (pavyzdžiui, silicį), Holo efekto jutikliai veikia matuodami kintančią įtampą, kai prietaisas yra magnetiniame lauke. Kitaip tariant, kai Holo efekto jutiklis nustato, kad jis dabar yra magnetiniame lauke, jis gali pajusti objektų padėtį.
Holo efekto jutikliai ir magnetai
Magnetai yra būdingi Hall efekto jutikliams, kurie įjungiami esant išoriniam magnetiniam laukui. Tada prietaisas gali pajusti, kaip objektas juda arčiau arba toliau, tik per skirtingą magnetinio lauko stiprumą.

Pavyzdžiui, jei Holo efekto jutiklis būtų įdėtas į durų staktą ir magnetas ant durų, jutiklis galėtų aptikti, kada durys atidarytos arba uždarytos, veikiant magnetiniam laukui. Toliau pateiktoje diagramoje parodyta, kaip Holo efekto jutiklis aptinka magnetą:

Vaizdo šaltinis

Visi magnetiniai laukai turi dvi svarbias charakteristikas. Pirma, tai, kas vadinama „srauto tankiu“, reiškia magnetinio srauto, praeinančio per vienetinį plotą, kiekį, ir, antra, visi magnetai pasižymi dviem poliškumais (šiaurės ir pietų poliais).

Išvesties signalas, išeinantis iš Hall efekto jutiklio, parodo magnetinio lauko tankį aplink įrenginį. Holo efekto jutikliai turi iš anksto nustatytą slenkstį, o kai magnetinio srauto tankis viršija šią ribą, prietaisas gali aptikti magnetinį lauką generuodamas išvestį, vadinamą „Hall Voltage“.

Visi Holo efekto jutikliai turi ploną puslaidininkinės medžiagos gabalėlį, kuris per save praleidžia nuolatinę elektros srovę, kad sukurtų magnetinį lauką. Kai prietaisas yra šalia išorinio magneto, magnetinis srautas veikia puslaidininkinę medžiagą, kaip parodyta toliau pateiktoje diagramoje:

Vaizdo šaltinis

Ši jėga sukelia elektronų judėjimą, sukuria išmatuojamą Holo įtampą ir suaktyvina Hall efekto jutiklį.

Holo efekto jutiklio išėjimo Hall įtampa yra tiesiogiai proporcinga magnetinio lauko, praeinančio per puslaidininkinę medžiagą, stiprumui. Dažnai ši išėjimo įtampa yra gana maža – lygi vos keliems mikrovoltams – su daugeliu Hall efekto įrenginių, įskaitant įmontuotus nuolatinės srovės stiprintuvus, kartu su loginio perjungimo grandinėmis ir įtampos reguliatoriais, kurie padeda pagerinti jautrumą (taigi ir efektyvumą). įrenginio.
Holo efekto jutiklių tipai
Yra dviejų tipų Hall efekto jutikliai: įrenginiai su linijiniais (arba analoginiais) išėjimais ir tie, kurie turi skaitmeninius išėjimus. Analoginiai jutikliai naudoja nuolatinę įtampą, kuri stipriame magnetiniame lauke didėja, o silpnesniame lauke mažėja.

Naudojant tiesinės išvesties Hall efekto jutiklius, išorinio magnetinio lauko stiprumui didėjant įrenginiui kontaktuojant su magnetu, išvesties signalas didėja lygiagrečiai, kol pasiekia maitinimo šaltinio nustatytas ribas.

Skaitmeninis išvesties įtaisas, atvirkščiai, turi „Schmitt trigerį“, kuris yra bistabili grandinė, kuri nuolat didina ir mažina išėjimą, kai įtampa pakyla ir nukrenta iki skirtingų slenksčių.

Dėl Schmitt trigerio, kai magnetinis srautas, einantis per Holo efekto jutiklį, viršija įrenginio iš anksto nustatytą vertę, įrenginio išvestis jį perjungia iš „išjungta“ į „įjungta“. Kai jutiklis juda į magnetinį lauką ir iš jo išeina, įrenginyje įtaisyta histerezė pašalina bet kokius išėjimo signalo virpesius.

Skaitmeniniai Hall efekto jutikliai
Yra dviejų tipų skaitmeniniai Hall efekto jutikliai: dvipoliai ir vienpoliai, kurie skiriasi priklausomai nuo magnetinio lauko, reikalingo jiems valdyti, tipo.

Dvipoliams skaitmeniniams Hall efekto jutikliams reikalingas teigiamas magnetinis laukas (kuris gaunamas iš magneto pietinio poliaus), kad juos veiktų, ir naudoti neigiamą lauką (iš Šiaurės ašigalio), kad juos atlaisvintų. Vienpoliams jutikliams reikia tik vieno magnetinio pietinio poliaus, kad jie veiktų ir atlaisvintų juos judant į magnetinį lauką ir iš jo.

Kadangi daugumos skaitmeninių Hall efekto jutiklių išvesties pavaros galimybės yra labai mažos, dauguma šių įrenginių negali tiesiogiai perjungti didelių elektros apkrovų. Daugelis skaitmeninių jutiklių tai neutralizuoja naudodami atviro kolektoriaus NPN tranzistorių.

Tranzistorius veikia kaip jungiklis, trumpinantis išvesties gnybtą su žeme, kai magnetinio srauto tankis yra didesnis nei Hall efekto jutiklio įjungimo taškas. Yra daug Hall efekto jungiklių, kurie tinka įvairioms užduotims atlikti.
Naudojamas salės efekto jutiklis
Paaiškinus, kaip veikia Holo efekto jutikliai ir kokie galimi įvairūs tipai, kada šie įrenginiai naudojami? Yra įvairių Hall efekto jutiklių programų, o prietaiso paskirtis skiriasi priklausomai nuo to, kaip magnetas yra išdėstytas ir kaip jis juda jutiklio link.

Magneto judėjimo tipai apima: priekyje, į šoną, stūmimą ir stūmimą, be kita ko, šie variantai keičia būdą, kaip jutiklis paima magnetinį lauką. Prieš žvelgiant į skirtingus Hall efekto jutiklius, verta pažvelgti į du dažniausiai pasitaikančius magnetinius judesius, kad suprastumėte, kaip ir kodėl jie veikia.

Tiesioginis aptikimas
Tam reikia, kad magnetinis laukas būtų statmenas Hall efekto jutikliui, o magnetas artėtų prie jutiklio tiesiai. Taikant šį metodą linijiniai jutikliai nustato magnetinio lauko stiprumą per magneto atstumą. Kai magnetinis laukas yra arčiau, tuo jis stipresnis, todėl išėjimo įtampa yra didesnė.

Šoninis aptikimas
Tai yra tada, kai magnetas juda per Holo efekto jutiklio paviršių šonu. Šis judesių tipas yra ypač naudingas skaičiuojant besisukančius magnetus arba norint nustatyti, kaip greitai sukasi variklis.

Dėl skirtingų magnetinių judesių Hall efekto jutikliai gali būti naudojami įvairiai. Dažniausia šių prietaisų paskirtis – matuoti objektų buvimą, padėtį ir artumą tiek pramoninėje, tiek buitinėje aplinkoje.

Namuose spausdintuve gali būti Holo efekto jutiklis, kuris naudojamas aptikti atidarytus dangčius arba kai reikia papildyti popierių. Šoninis aptikimo judėjimas leidžia naudoti Hall efekto jutiklius kaip besisukančius greičio jutiklius, kurie ypač naudingi automobilių ir kitų transporto priemonių spidometrams, taip pat dviračių ratams, krumpliaračių dantims ir elektroninėms uždegimo sistemoms.

Kiti Holo efekto jutikliai yra srovės jutikliai, slėgio jutikliai ir skysčio srauto jutikliai, kurie dažnai naudojami pramonės ir gamybos procesuose. Holo efekto jutikliai taip pat yra veiksmingas, bekontaktis būdas matuoti nuolatinės srovės magnetinį srautą srovės transformatoriuose.

Taip pat yra ir kitų Hall efekto jutiklių programų, kuriose reikalingas bekontaktis jungiklis, pvz., elektriniai pneumatiniai ginklai, kartingo greičio valdikliai ir elektropneumatinių dažasvydžio ginklų gaidukai.
Holo efekto pritaikymas automobiliams
Be šių įvairių programų, viena iš pagrindinių Hall efekto jutiklių funkcijų yra automobilių pramonėje, kur prietaisas naudojamas įvairiai, įskaitant automobilių degalų lygio indikatorius.

Yra du būdai, kaip Holo efekto jutikliai naudojami degalų lygiui matuoti. Pirma, vertikalioje plūduriuojančioje sistemoje nuolatinis magnetas pritvirtinamas prie plūduriuojančio objekto paviršiaus, o jutiklis yra pritvirtintas prie bako viršaus, vienoje linijoje su magnetu.

Pripildžius automobilį ar transporto priemonę, plūduriuojantis magnetas pakyla į bako viršų, nukreipdamas magnetinį lauką link jutiklio ir padidindamas Hall įtampą. Kai kuro lygis mažėja, magnetas krenta, lygiagrečiai mažindamas Holo įtampą.

Be degalų matavimo, Holo efekto jutikliai dažniausiai naudojami besisukančių dalių, pvz., ratų ir velenų, greičiui nustatyti ir yra ypač naudingi įvairiuose „tachometruose“, kurie matuoja tokius dalykus kaip transporto priemonės greitis ir RPM.

Holo efekto jutikliai yra ypač naudingi tokiomis sąlygomis, kai yra vandens, vibracijos ar nešvarumų, kurie gali paveikti optinius ir šviesos jutiklius. Štai kodėl jie yra ypač veiksmingi pramonėje, nes magnetinių laukų negali pertraukti išoriniai veiksniai.

Hall efekto jutiklio išmanusis telefonas
Šiuos universalius jutiklius galima pritaikyti įvairiai, o Holo efekto jutikliai mobiliuosiuose telefonuose ir kituose mobiliuosiuose įrenginiuose (pvz., planšetiniuose kompiuteriuose) naudojami apverčiamiems dangčiams, kurie dažnai yra su magnetais, aptikti.

Kai uždaromas atverčiamas dangtelis, magnetas nukreipiamas link Holo jutiklio jūsų išmaniajame telefone ar planšetiniame kompiuteryje. Atverčiami dangteliai sukuria magnetinį lauką, kuris generuoja Hall įtampą. Naudojant Schmitt trigerį grandinėje, mobilusis įrenginys gali atlikti tam tikras operacijas, kai Holo jutiklis aptinka šią magnetinę jėgą, pavyzdžiui, išjungia ekraną.

Naudojant Hall efekto jutiklį, baterijos veikimo laikas pailgėja, kai ekranas yra uždengtas ir jo negalima naudoti.

Holo efekto jutikliai naudojami prieš kitus įrenginius, nes jie yra itin maži, lengvai ir pigiai gaminami, nejautri dideliems temperatūros pokyčiams, o tai ypač naudinga telefonams.
Holo efekto jutiklio matavimas
Nors Holo efekto jutikliai dažniausiai naudojami objektams ir erdvėms aptikti, jie taip pat gali būti naudojami srovės matavimui. Kaip nustatyta šio vadovo pradžioje, Holo efektas pagrįstas magnetinių laukų ir srovių ryšiu, o aukščiau esantys įrenginiai naudoja magnetinius laukus, kad sukurtų sroves kaip išvestį.

Apversdami šį principą, taip pat galite naudoti Holo efekto jutiklį srovės matavimui, praleisdami srovę, kad gautumėte magnetinį lauką.

Srovės jutikliai yra svarbi priemonė, leidžianti stebėti įrangos būseną, aptikti galimus pokyčius ir užtikrinti, kad įranga būtų saugi. Nors anksčiau dažnai įrangai stebėti buvo naudojami slėgio jungikliai, optiniai jutikliai ir nulinio greičio jungikliai, matuojant srovės įvestį galima gauti tikslesnę įžvalgą apie įrangos veikimą.

Skaitmeninio arba linijinio Hall efekto jutiklio naudojimas srovei matuoti yra efektyvus būdas, nes šie įrenginiai yra pagrįsti principu, kad tam tikram srovės srautui sukuriamas proporcingas magnetinis laukas.

Pirma, skaitmeninis Hall efekto jutiklis susideda iš trijų pagrindinių komponentų: šerdies, Hall efekto įrenginio ir signalo kondicionavimo grandinės. Kai jutiklis yra įjungtas ir veikiamas magnetinio lauko iš šerdies, jis sukuria potencialų skirtumą (arba įtampą), kurį galima išmatuoti ir vėliau sustiprinti į proceso lygio signalus.

Vienas iš pagrindinių Holo efekto jutiklių naudojimo srovės matavimui pranašumų yra tas, kad jie yra visiškai izoliuoti nuo stebimos įtampos, todėl tai yra saugus būdas išbandyti įrangą neįkišus. Matavimai taip pat yra tikslūs ir pakartojami tiek kintamos, tiek nuolatinės srovės galioje, todėl skaitmeniniai Hall efekto jutikliai yra puikus pasirinkimas srovės matavimui.
Ratiometriniai salės efekto jutikliai
To variantas yra ratiometrinis Hall efekto jutiklis, kuris išveda analoginę įtampą, proporcingą magnetinio lauko intensyvumui. Šio tipo jutikliai veikia remiantis magnetiniais poliais, kai įtampa didėja su pietų ašigaliu ir mažėja, kai šiaurinis magnetinis polius.

Ratimetrinis Hall efekto jutiklis yra alternatyva aukščiau aptartam skaitmeniniam įrenginiui. Vietoj perjungimo iš išjungimo į įjungimą, įtampa matuojama proporcingai magnetinio lauko stiprumui ir magnetiniam poliškumui.

Kaip ir naudojant skaitmeninius Hall efekto jutiklius, srovei per laidą matuoti galima naudoti ratiometrinius prietaisus. Kuo didesnė srovė, tuo stipresnis magnetinis laukas, todėl bus matuojama didesnė išėjimo įtampa. Abu metodai yra veiksmingas būdas išmatuoti sroves ir patikrinti, kaip efektyviai veikia elektros įranga.

Nuo srovės matavimo iki slėgio jutiklių, skysčių srauto jutiklių ir objektų aptikimo, Holo efekto jutikliai ir jungikliai gali būti naudojami įvairiai, o šie universalūs prietaisai yra esminė daugelio elektros įrangos dalis.