Che cos'è un sensore Hall: principio di funzionamento, dispositivo e metodi di verifica delle prestazioni

Sensori: i convertitori di una quantità fisica in un'altra (di solito, in elettrico) sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature domestiche e industriali. Senza di essi è molto difficile, se non impossibile, misurare, digitalizzare ed elaborare parametri tecnologici come pressione e flusso (gas o liquido), temperatura, livello, intensità del campo magnetico o elettrico, ecc. Uno dei sensori più utilizzati è il sensore Hall: vengono utilizzati sia nella vita di tutti i giorni (a partire da smartphone o laptop), sia nella tecnologia industriale più complessa.

Effetto Hall - principio di funzionamento

Questo effetto fu scoperto nel 1879 dal fisico americano Edwin Hall e prese il suo nome.L'essenza del fenomeno è che se prendi una lastra di metallo e la attraversi una corrente elettrica (nella direzione AB nella figura), quindi agisci sulla lastra con un campo magnetico, ad esempio, creato da un magnete permanente, quindi nella direzione perpendicolare al passaggio della corrente (CD in figura ), si avrà una differenza di potenziale.

Questo effetto si verifica a causa della forza di Lorentz che agisce sulle cariche in movimento e le sposta in una direzione perpendicolare alla direzione del movimento. Di conseguenza, si crea una differenza di potenziale ai bordi della piastra, che può essere misurata o utilizzata per attivare gli attuatori (preamplificazione). Questa differenza dipende da:

• dalla forza della corrente che scorre;
• dalla forza del campo magnetico;
• sulla concentrazione dei vettori di carica liberi nel conduttore.

Il fenomeno prende il nome dal suo scopritore: l'effetto Hall.

Tipi e disposizione dei sensori di Hall

L'effetto, scoperto nel secolo precedente, ha trovato applicazione pratica. Sulla base di esso, vengono costruiti sensori di campo magnetico. Il loro vantaggio è che non hanno elementi mobili e di sfregamento (a differenza degli interruttori reed), quindi la loro affidabilità è molto più elevata. Secondo il principio di sensibilità sensori industriali Le sale sono suddivise in:

• unipolare (reagisce solo a un polo magnetico - nord o sud);
• bipolare (si accende se esposto a un campo magnetico di una polarità, si spegne se esposto a un campo magnetico di polarità opposta);
• onnipolare: reagisce a qualsiasi polo dei magneti.

La differenza di potenziale creata dall'azione di un campo magnetico sulle cariche in movimento è di unità, nella migliore delle ipotesi decine di microvolt. Per l'applicazione pratica, questo non è sufficiente, la differenza di potenziale deve essere aumentata. Questi amplificatori sono integrati direttamente nel corpo dei sensori e, a seconda del tipo di amplificatore, i dispositivi sono divisi in due classi.

1. Analogico. In essi, la tensione all'uscita del sensore è proporzionale al campo magnetico (dipende dalla forza del magnete e dalla distanza da esso). Costruiti sulla base di un amplificatore operazionale e sono utilizzati per misurare i campi magnetici.
2. Digitale. Dopo aver installato l'amplificatore comparatore o trigger di Schmitt. La tensione di uscita, quando l'induzione magnetica raggiunge una certa soglia, salta da zero ad un livello alto (solitamente al livello di tensione di alimentazione). Tali sensori vengono utilizzati per costruire relè magnetici o generatori di impulsi. Il segnale amplificato dalla piastra viene applicato al dispositivo di soglia. Quando viene raggiunto il livello impostato, il sensore viene attivato. Il livello di trigger può essere regolato modificando la distanza dal sensore alla sorgente del campo magnetico.

Applicazione dei sensori di Hall

L'applicazione più comune del sensore Hall nella vita di tutti i giorni sono i sistemi di accensione senza contatto per auto. Il loro vantaggio è l'assenza di gruppi di contatto meccanici. Ciò significa nessuna usura, nessuna bruciatura dei contatti, nessun rischio di guasto meccanico.

Il sistema di distribuzione comprende una piastra con battute azionate dall'albero motore del motore, un magnete permanente e il sensore Hall stesso. Quando la piastra ruota, le sporgenze in un momento rigorosamente definito, determinato dalla posizione dell'albero motore, cadono nello spazio tra il sensore e il magnete, modificando i parametri del campo magnetico.Il sensore genera impulsi sincronizzati con la rotazione dell'albero motore, che regolano l'alimentazione di tensione alla bobina di alta tensione nei punti temporali richiesti. Inoltre, i sensori di campo magnetico nell'auto vengono utilizzati per riconoscere la posizione dell'albero motore.

Un altro uso dei sensori magneticamente sensibili è quello di determinare la posizione dei rotori dei motori elettrici. L'elemento relè è montato sullo statore del motore e si attiva al passaggio del polo. Sulla base di questo principio, puoi costruire un contagiri o un contagiri.

I dispositivi basati sull'effetto Hall vengono utilizzati nei laptop o nei dispositivi mobili, come indicatore della posizione chiusa del coperchio. Quando il sensore viene attivato, il computer va in modalità di sospensione o si spegne. E negli smartphone, una delle funzioni del sensore che risponde al campo magnetico terrestre è l'organizzazione della bussola elettronica.

I sensori Hall analogici sono utilizzati negli strumenti di misura, dove è necessario valutare il livello del campo magnetico. Sono indispensabili per la misura senza contatto della forza di corrente in un conduttore. Come sapete, quando la corrente passa attraverso un conduttore, attorno ad esso si genera un campo magnetico. La sua intensità dipende dalla forza della corrente. Se la corrente è alternata, il campo può essere misurato in altri modi (ad esempio con un trasformatore di corrente), ma con la corrente continua è indispensabile un sensore Hall. Le pinze amperometriche CC funzionano secondo questo principio.

L'applicazione più esotica dell'effetto Hall è la costruzione di motori a razzo ionici secondo il suo principio.

Come controllare le prestazioni del sensore Hall

Per controllare il sensore, puoi assemblare un semplice circuito, per il quale, oltre al sensore stesso, avrai bisogno di:

• alimentazione per la tensione desiderata;
• resistore con una resistenza di circa 1 kOhm;
• Diodo ad emissione luminosa;
• magnete.

Se non è presente alcun LED, al suo posto (e al resistore limitatore di corrente) è possibile usa un multimetro (digitale o puntatore) in modalità di misura della tensione.

Non ci sono requisiti speciali per l'alimentazione: le correnti nel circuito sono molto piccole. La sua tensione deve rientrare nella tensione di alimentazione del sensore in prova. Il LED è collegato con l'anodo al positivo della sorgente di tensione, il catodo all'uscita del dispositivo in prova, poiché il sensore è solitamente realizzato con un collettore aperto (ma è meglio verificarlo sulla scheda tecnica).

La procedura di prova dipende dal tipo di dispositivo in prova.

1. Per testare un sensore digitale unipolare, è necessario portare un magnete con un polo. Il LED dovrebbe accendersi (la freccia del voltmetro a lancetta devia o le letture del tester digitale cambiano bruscamente). Quando il magnete viene rimosso a una distanza considerevole, il circuito dovrebbe tornare nella sua posizione originale. Se il sensore non funziona, è necessario capovolgere il magnete con l'altro polo e ripetere la procedura. Se il LED lampeggia, il sensore funziona. Se il successo non è stato ottenuto in nessuna posizione del magnete, il dispositivo è inutilizzabile.
2. Un sensore digitale bipolare viene testato utilizzando una tecnica simile, solo il LED si accende in una posizione del magnete e non si spegne quando viene rimossa la sorgente del campo magnetico. Il circuito non dovrebbe reagire a ulteriori manipolazioni con lo stesso polo. Se capovolgi il magnete e lo porti al sensore con la polarità opposta, il LED dovrebbe spegnersi. Questo indica lo stato di salute del dispositivo in prova.Se il circuito non funziona, il sensore è guasto.
3. Un sensore Hall digitale omnipolare viene testato allo stesso modo di un sensore unipolare, ma il dispositivo magneticamente sensibile dovrebbe funzionare in qualsiasi posizione del magnete.

I sensori analogici vengono controllati allo stesso modo di quelli digitali, ma la tensione di uscita non dovrebbe cambiare bruscamente, ma in modo graduale all'aumentare della forza magnetica (ad esempio, un magnete permanente si avvicina o un aumento della corrente nell'avvolgimento dell'elettromagnete).

Da un punto di vista pratico, è interessante la domanda su come controllare il sensore Hall installato nel sistema di accensione senza contatto di un'auto. Per fare ciò, rimuovere il connettore dal sensore e montare il circuito indicato direttamente sui pin.

Qui puoi anche sostituire il LED con un multimetro. Ruotando manualmente l'albero motore dell'auto, è possibile osservare lampeggi periodici del LED o variazioni della tensione di uscita da zero a circa la tensione dell'impianto elettrico dell'auto. Un modo alternativo per effettuare il check-in in un garage è sostituire temporaneamente il dispositivo con un sensore di riserva noto.

Il sensore Hall ha trovato ampia applicazione nelle apparecchiature domestiche e industriali. Non è difficile verificarne la funzionalità se si comprende il principio del suo funzionamento.

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