Halleffektsensor (eller helt enkelt Hallsensor ) är en mätgivare för att mäta storleken på ett magnetfält. Funktionsprincipen för sensorn är baserad på Hall-effekten och dess initiala spänning är direkt proportionell mot magnetfältets styrka [1] . Detta fenomen upptäcktes av den amerikanske fysikern Edwin Hall 1879.
Halleffektsensorer används för beröringsfri detektering, positionering, hastighetsdetektering och strömdetektering [2] .
Ofta kombineras en hallsensor med tröskeldetektering och den fungerar som en brytare och kallas för en hallbrytare. Vanligtvis förekommande i industriella tillämpningar som den pneumatiska cylindern på bilden, de används också i konsumentutrustning; till exempel, vissa datorskrivare använder dem för att upptäcka saknat papper och öppna luckor. De kan också användas i datortangentbord, en applikation som kräver extremt hög tillförlitlighet. En annan användning av Hall-effektsensorn är i skapandet av MIDI-orgelpedalbrädor, där rörelsen av en "tangent" på pedalbrädan översätts som en på/av-brytare för Hall-effektsensorerna.
Hallsensorer används vanligtvis för att mäta rotationshastigheten för hjul och axlar , till exempel för tändning av en förbränningsmotor, varvräknare och låsningsfria bromssystem. De används i DC-motorer för att upptäcka positionen för en permanentmagnet. På det avbildade hjulet med två identiskt åtskilda magneter, toppar spänningen från sensorn med en faktor två per varv. Detta schema används vanligtvis för att styra hastigheten på hårddiskar.
Hallsensorer används ofta som magnetometrar , det vill säga för att mäta magnetiska fält eller inspektera material (som rör eller rörledningar) med hjälp av principerna för magnetiskt flödesläckage .
Halleffektenheter producerar mycket låga signalnivåer och kräver därför förstärkning. Även om rörförstärkare från första hälften av 1900-talet var lämpliga för laboratorieinstrumentering, var de för dyra, strömkrävande och opålitliga för dagligt bruk. Först med utvecklingen av en billig integrerad krets blev Hall-effektsensorn lämplig för massapplikation. Många enheter som nu säljs som Hall-effektsensorer innehåller faktiskt både sensorn enligt beskrivningen ovan och en högförstärkare med integrerad krets (IC) i samma paket. De senaste framstegen har lagt till en A/D-omvandlare och I²C (inter-integrated circuit communication protocol) i samma paket för direkt anslutning till en mikrokontroller I/O-port .
Halleffektenheter (när de är korrekt förpackade) är immuna mot damm, smuts och vatten. Dessa egenskaper gör Hall-effektanordningar bättre för positionsbestämning än alternativa medel som optiska och elektromekaniska mätningar.
När elektroner passerar genom en ledare skapas ett magnetfält. Således är det möjligt att skapa en beröringsfri strömsensor. Enheten har tre terminaler. Sensorspänningen appliceras på två terminaler, och den tredje ger en spänning som är proportionell mot den uppmätta strömmen. Detta har flera fördelar: inget extra motstånd ( shunt krävs för den vanligaste metoden för strömmätning) behövs i primärkretsen. Dessutom överförs inte spänningen som finns på ledningen som ska mätas till sensorn, vilket ökar säkerheten för mätutrustningen.
Magnetiskt flöde från omgivningen (som andra ledningar) kan minska eller öka det fält som Hall-sensorn avser att mäta, vilket gör resultaten felaktiga.
Metoder för att mäta mekaniska positioner i ett elektromagnetiskt system såsom en borstlös likströmsmotor inkluderar (1) Hall-effekten, (2) en optisk kodare (såsom absoluta och inkrementella kodare ) och (3) en inducerad spänning genom att flytta en metallkärna insatt i en transformator. När Hall-effekten jämförs med fotokänsliga metoder är det svårare att få ett absolut värde med Hall. Hallmätningar är också känsliga för parasitiska magnetfält.
Halleffektsensorer finns tillgängliga från ett antal olika tillverkare och kan användas i en mängd olika sensorer såsom rotationshastighetssensorer (cykelhjul, kugghjul, fordonshastighetsmätare, elektroniska tändsystem), vätskeflödessensorer , strömsensorer och trycksensorer . Vanliga applikationer finns ofta där en robust och beröringsfri brytare eller potentiometer krävs. Dessa inkluderar: elektriska airsoft- pistoler, elektropneumatiska paintball - pistolavtryckare , karthastighetskontroller, smartphones och vissa globala positioneringssystem.
Strömomvandlare med en ferrittoroid på Hall-effektenHallsensorer kan enkelt upptäcka strömagnetiska fält, inklusive jordens magnetfält, så de fungerar bra som elektroniska kompasser: men det betyder också att sådana ströfält kan förhindra noggranna mätningar av små magnetfält. För att lösa detta problem är Hall-sensorer ofta integrerade med någon form av magnetisk skärm. Till exempel kan en Hall-sensor integrerad i en ferritring (som visas) minska detekteringen av ströfält med en faktor på 100 eller bättre (eftersom externa magnetfält tar ut i ringen, vilket inte ger något kvarvarande magnetiskt flöde ). Denna konfiguration ger också över 20 gånger bättre signal-brusförhållande och drifteffekter än en obelagd Hall-enhet.
Räckvidden för denna genomgående sensor kan utökas upp och ner med lämplig ledning. För att utöka räckvidden till lägre strömmar kan flera varv av strömförande tråd göras genom hålet, varvid varje varv tillför samma mängd till sensorutgången; vid montering av sensorn på ett kretskort kan varven utföras med fästen på kortet. För att utöka räckvidden till högre strömmar kan en strömdelare användas. Avdelaren delar upp strömmen i två trådar med olika bredd och den tunnare tråden, som bär en mindre del av den totala strömmen, passerar genom sensorn.
Delad ringsensorHall-ringsensorn används i klämmätare . Mätanordningen är fixerad på linjen, vilket möjliggör användning av anordningen i testutrustning. När den används i en fast installation tillåter denna metod att kontrollera den elektriska strömmen utan att demontera den befintliga kretsen.
Analog multiplikationUtsignalen är proportionell mot det applicerade magnetfältet och den applicerade sensorspänningen. Om ett magnetfält appliceras av en solenoid, är sensorns utgång proportionell mot produkten av strömmen genom solenoiden och sensorspänningen. Eftersom de flesta beräkningsapplikationer för närvarande utförs av små digitala datorer , är en användbar återstående applikation effektmätning i en enda Hall-effektenhet som kombinerar strömmätning med spänningsmätning.
EffektmätningGenom att mäta strömmen som tillförs lasten och använda den spänning som appliceras på enheten kan den effekt som enheten förbrukar bestämmas.
Bestämning av position och rörelseHalleffektenheter som används i rörelsesensorer och rörelsegränsbrytare kan ge ökad tillförlitlighet under extrema förhållanden. Eftersom det inte finns några rörliga delar inuti sensorn eller magneten ökar den typiska livslängden jämfört med traditionella elektromekaniska strömbrytare. Dessutom kan sensorn och magneten inneslutas i ett lämpligt skyddsmaterial. Denna applikation används i den borstlösa DC-motorn .
Hall-effektsensorer fästa på mekaniska pickuper som har magnetiserade indikatornålar kan omvandla den fysiska positionen eller orienteringen av den mekaniska indikatornålen till en elektrisk signal som kan användas av elektroniska indikatorer, kontroller eller kommunikationsenheter [3] .
Biltändning och bränsleinsprutningAnvänds vanligtvis i distributörer för att bestämma tändningstid och i vissa typer av vevaxel- och kamaxelpositionssensorer för att bestämma insprutningspulstiming, mäta hastighet och så vidare. Hall-effektsensorn används som en direkt ersättning för de mekaniska brytpunkter som används i tidigare biltillämpningar. Dess användning som en anordning för att justera tändningstiden i distributörer av olika typer är som följer. En stationär permanentmagnet och ett Hall-effekt-halvledarchip är monterade bredvid varandra och åtskilda av ett luftgap för att bilda en Hall-effektsensor. En metallrotor, bestående av fönster och utsprång, är monterad på en axel och placerad så att fönstren och utsprången under axelns rotation passerar genom luftgapet mellan permanentmagneten och Hall-halvledarkristallen. Detta skyddar effektivt och exponerar Hall-chippet för ett permanent magnetfält beroende på om fliken eller fönstret passerar genom Hall-sensorn. För att bestämma tändningstiden kommer metallrotorn att ha en serie utsprång och fönster av samma storlek som motsvarar antalet motorcylindrar. Detta ger en enhetlig fyrkantvågsutgång eftersom på- och av-tiderna (skärmning och exponering) är desamma. Denna signal används av motordatorn eller ECU för att styra tändningstiden. Många Hall-effektsensorer för bilar har en intern öppen kollektor , jord-emitter NPN-transistor, vilket innebär att istället för att spänningen genereras på signalutgångskabeln från Hall-effektsensorn, slås transistorn på och ger en krets till jord genom signalutgångskabel.
Bestämma hjulhastighetEn viktig tillämpning av Hall-sensorn har hittats i låsningsfria bromssystem . Funktionsprinciperna för sådana system har utökats och förfinats för att erbjuda fler möjligheter än antisladdfunktionen. Nu ger de avancerade förbättringar av fordonshantering.
MotorstyrningVissa typer av BLDC-motorer använder Hall-effektsensorer för att bestämma rotorns position och vidarebefordra denna information till motorstyrenheten. Detta förbättrar motorstyrningens noggrannhet.
Industriella applikationerHalleffektapplikationer har också spridit sig till industriella applikationer som nu använder Hall- effektjoysticks för att styra hydraulventiler, och ersätter traditionella mekaniska spakar med en närhetssensor. Sådana tillämpningar inkluderar gruvlastbilar, grävlastare, kranar, grävmaskiner, saxliftar och så vidare.