Hall effekt sensor (eller blot Hall sensor ) er en måletransducer til måling af størrelsen af et magnetfelt. Funktionsprincippet for sensoren er baseret på Hall-effekten, og dens startspænding er direkte proportional med magnetfeltstyrken [1] . Dette fænomen blev opdaget af den amerikanske fysiker Edwin Hall i 1879.
Halleffektsensorer bruges til berøringsfri detektering, positionering, hastighedsdetektering og strømdetektion [2] .
Ofte kombineres en hallsensor med tærskeldetektion og den fungerer som en switch og kaldes en hall switch. Almindeligvis fundet i industrielle applikationer, såsom den pneumatiske cylinder afbilledet, bruges de også i forbrugerudstyr; for eksempel bruger nogle computerprintere dem til at opdage manglende papir og åbne låger. De kan også bruges i computertastaturer, et program, der kræver ultrahøj pålidelighed. En anden anvendelse af Hall effekt sensoren er i skabelsen af MIDI orgel pedalboards, hvor bevægelsen af en "key" på pedalboardet oversættes som en on/off switch for Hall effekt sensorerne.
Hall-sensorer bruges almindeligvis til at måle rotationshastigheden af hjul og aksler , såsom til tændingstidspunkt for en forbrændingsmotor, omdrejningstællere og blokeringsfri bremsesystemer. De bruges i DC-motorer til at detektere positionen af en permanent magnet. På det afbildede hjul med to magneter med identisk afstand, topper spændingen fra sensoren med en faktor to pr. omdrejning. Dette skema bruges almindeligvis til at styre hastigheden af diskdrev.
Hall-sensorer bruges ofte som magnetometre , dvs. til måling af magnetiske felter eller inspektion af materialer (såsom rør eller rørledninger) ved hjælp af principperne for magnetisk fluxlækage .
Hall-effektenheder producerer meget lave signalniveauer og kræver derfor forstærkning. Selvom rørforstærkere fra første halvdel af det 20. århundrede var velegnede til laboratorieinstrumentering, var de for dyre, strømkrævende og upålidelige til daglig brug. Først med udviklingen af et billigt integreret kredsløb blev Hall-effekt-sensoren egnet til masseanvendelse. Mange enheder, der nu sælges som Hall-effektsensorer , indeholder faktisk både sensoren som beskrevet ovenfor og en højforstærker integreret kredsløb (IC) forstærker i samme pakke. Nylige fremskridt har tilføjet en A/D-konverter og I²C (inter-integreret kredsløbskommunikationsprotokol) til den samme pakke til direkte forbindelse til en mikrocontroller I/O-port .
Hall-effektenheder (når de er pakket korrekt) er immune over for støv, snavs og vand. Disse egenskaber gør Hall-effektenheder bedre til positionsbestemmelse end alternative metoder såsom optiske og elektromekaniske målinger.
Når elektroner passerer gennem en leder, dannes et magnetfelt. Det er således muligt at oprette en berøringsfri strømsensor. Enheden har tre terminaler. Sensorspændingen tilføres to terminaler, og den tredje giver en spænding proportional med den målte strøm. Dette har flere fordele: ingen yderligere modstand ( shunt nødvendig til den mest almindelige metode til strømmåling) er nødvendig i det primære kredsløb. Derudover overføres den spænding, der er på ledningen, der skal måles, ikke til sensoren, hvilket øger sikkerheden for måleudstyret.
Magnetisk flux fra omgivelserne (såsom andre ledninger) kan mindske eller øge det felt, som Hall-sensoren har til hensigt at måle, hvilket gør resultaterne unøjagtige.
Metoder til måling af mekaniske positioner i et elektromagnetisk system såsom en børsteløs jævnstrømsmotor omfatter (1) Hall-effekten, (2) en optisk indkoder (såsom absolutte og inkrementale indkodere ) og (3) en induceret spænding ved at flytte en metalkerne indsat i en transformer. Når Hall-effekten sammenlignes med lysfølsomme metoder, er det sværere at opnå en absolut værdi med Hall. Hall-målinger er også følsomme over for parasitiske magnetfelter.
Hall-effektsensorer er tilgængelige fra en række forskellige producenter og kan bruges i en række forskellige sensorer, såsom rotationshastighedssensorer (cykelhjul, geartænder, hastighedsmålere til biler, elektroniske tændingssystemer), væskestrømssensorer , strømsensorer og tryksensorer . Almindelige applikationer findes ofte, hvor en robust og berøringsfri kontakt eller potentiometer er påkrævet. Disse omfatter: elektriske airsoft - pistoler, elektropneumatiske paintball -pistoludløsere, karthastighedsregulatorer , smartphones og nogle globale positioneringssystemer.
Strømomformer med en ferrit-toroid på Hall-effektenHall-sensorer kan nemt registrere herreløse magnetfelter, herunder Jordens magnetfelter, så de fungerer godt som elektroniske kompas: men det betyder også, at sådanne herreløse felter kan forhindre nøjagtige målinger af små magnetfelter. For at løse dette problem er Hall-sensorer ofte integreret med en slags magnetisk skjold. For eksempel kan en Hall-sensor integreret i en ferritring (som vist) reducere detekteringen af herreløse felter med en faktor på 100 eller bedre (fordi eksterne magnetiske felter udligner i ringen, hvilket ikke giver nogen resterende magnetisk flux ). Denne konfiguration giver også over 20 gange bedre signal-til-støj-forhold og drifteffekter end en ubelagt Hall-enhed.
Rækkevidden af denne gennemgående sensor kan udvides op og ned med passende ledninger. For at udvide rækkevidden til lavere strømme kan der laves adskillige drejninger af strømførende ledning gennem hullet, hvor hver drejning tilføjer den samme mængde til sensorudgangen; ved montering af sensoren på et printkort kan drejningerne udføres med beslag på printet. For at udvide rækkevidden til højere strømme kan der bruges en strømdeler. Fordeleren deler strømmen i to ledninger af forskellig bredde, og den tyndere ledning, som fører en mindre del af den samlede strøm, går gennem sensoren.
Split ring sensorHall-ringsensoren bruges i klemmemålere . Måleapparatet er fastgjort på linjen, hvilket tillader brug af apparatet i testudstyr. Når den bruges i en fast installation, giver denne metode mulighed for at kontrollere den elektriske strøm uden at afmontere det eksisterende kredsløb.
Analog multiplikationUdgangssignalet er proportionalt med det påførte magnetfelt og den påførte sensorspænding. Hvis et magnetfelt påføres af en solenoide, er sensoroutputtet proportional med produktet af strømmen gennem solenoiden og sensorspændingen. Da de fleste beregningsapplikationer i øjeblikket udføres af små digitale computere , er en nyttig resterende applikation effektmåling i en enkelt Hall-effektenhed, der kombinerer strømmåling med spændingsmåling.
EffektmålingVed at måle den strøm, der leveres til belastningen, og bruge den spænding, der påføres enheden, kan den effekt, som afgives af enheden, bestemmes.
Bestemmelse af position og bevægelseHall-effektenheder, der bruges i bevægelsessensorer og bevægelsesgrænseafbrydere , kan give øget pålidelighed under ekstreme forhold. Da der ikke er nogen bevægelige dele inde i sensoren eller magneten, øges den typiske levetid sammenlignet med traditionelle elektromekaniske kontakter. Derudover kan sensoren og magneten indkapsles i et passende beskyttelsesmateriale. Denne applikation bruges i den børsteløse jævnstrømsmotor .
Hall-effekt sensorer knyttet til mekaniske pickupper, der har magnetiserede indikatornåle, kan konvertere den fysiske position eller orientering af den mekaniske indikatornål til et elektrisk signal, der kan bruges af elektroniske indikatorer, kontroller eller kommunikationsenheder [3] .
Biltænding og brændstofindsprøjtningAlmindeligvis brugt i distributører til at bestemme tændingstidspunktet og i nogle typer krumtapaksel- og knastakselpositionssensorer til at bestemme indsprøjtningsimpulstiming, måle hastighed og så videre. Hall-effektsensoren bruges som en direkte erstatning for de mekaniske brudpunkter, der blev brugt i tidligere bilapplikationer. Dens anvendelse som en enhed til justering af tændingstidspunktet i distributører af forskellige typer er som følger. En stationær permanentmagnet og en Hall-effekt-halvlederchip er monteret ved siden af hinanden og adskilt af et luftgab for at danne en Hall-effektsensor. En metalrotor, bestående af vinduer og fremspring, er monteret på en aksel og placeret således, at vinduerne og fremspringene under akslens rotation passerer gennem luftgabet mellem den permanente magnet og Hall-halvlederkrystal. Dette skærmer effektivt og udsætter Hall-chippen for et permanent magnetfelt, afhængigt af om fanen eller vinduet passerer gennem Hall-sensoren. For at bestemme tændingstidspunktet vil metalrotoren have en række fremspring og vinduer af samme størrelse svarende til antallet af motorcylindre. Dette giver et ensartet firkantbølgeoutput, fordi tænd- og sluktider (afskærmning og eksponering) er de samme. Dette signal bruges af motorcomputeren eller ECU'en til at styre tændingstidspunktet. Mange Hall-effektsensorer til biler har en intern åben-kollektor , jord-emitter NPN-transistor, hvilket betyder, at i stedet for at spændingen genereres på signaludgangsledningen fra Hall-effektsensoren, tænder transistoren og giver et kredsløb til jord gennem signaludgangsledning.
Bestemmelse af hjulhastighedEn vigtig anvendelse af Hall -sensoren er blevet fundet i blokeringsfrie bremsesystemer . Funktionsprincipperne for sådanne systemer er blevet udvidet og forfinet for at give flere muligheder end anti-skridfunktionen. Nu giver de avancerede forbedringer i køretøjshåndtering.
MotorstyringNogle typer BLDC-motorer bruger Hall-effektsensorer til at bestemme rotorens position og videresende denne information til motorstyringen. Dette forbedrer nøjagtigheden af motorstyringen.
Industrielle applikationerHall-effekt-applikationer har også spredt sig til industrielle applikationer, der nu bruger Hall-effekt joysticks til at styre hydrauliske ventiler, og erstatter traditionelle mekaniske håndtag med en nærhedssensor. Sådanne applikationer omfatter minelastbiler, rendegravere, kraner, gravemaskiner, sakselifte og så videre.