Hall-effectsensoren: werkprincipe, 5 belangrijke toepassingen

Inhoud:

• Introductie
• Magnetische sensoren
• Hall-effect sensoren
• Wat is Hall-spanning (V._H)?
• Hall Coëfficiënt (R_H)
• Constructie van Hall-effectsensoren
• Symbool van Hall-effectsensor
• Werkingsprincipe van Hall Effect-sensoren
• Hall Effect-experiment
• Analoog en digitaal Hall-effectsensor
• Type Hall-effectsensoren
• Toepassingen van Hall-effectsensoren

Magnetische sensoren

Magnetische sensoren zijn apparaten die magnetische velden kunnen detecteren en analyseren die worden gegenereerd door magneet of actueel. Ze kunnen worden gebruikt voor verschillende soorten toepassingen, zoals het waarnemen van de verandering in de positie en hoek van een magnetisch veld, het waarnemen van de verandering in sterkte of de richting van het aangelegde magnetische veld, enz.

Er zijn verschillende soorten magnetische sensoren zoals Hall Effect-sensor (Hall-schakelaars, lineaire Hall-sensoren, enz.) Die worden gebruikt om een ​​verandering in de sterkte van het magnetische veld te detecteren, Magneto Resistive-sensor die wordt gebruikt om een ​​verandering in de richting van het magnetische veld te detecteren , hoeksensoren die worden gebruikt voor het detecteren van een verandering in de hoek van een magnetisch veld, 3D Hall-sensoren en magnetische snelheidssensoren. Hall Effect-sensoren worden gebruikt in een uitgebreide reeks toepassingen zoals naderingssensor, positie- en snelheidsmeting enz. Ze worden zelfs gebruikt in computerprinter, pneumatische cilinders, computertoetsenborden enz.

Magnetische sensoren zijn over het algemeen een solid-state apparaat waar tegenwoordig veel vraag naar is vanwege de hoge precisie en nauwkeurigheid, contactloze werking, relatief lage onderhoudskosten, compact ontwerp, enz. Nu een dag magnetische sensoren zonder kern, speciaal voor verschillende soorten industriële toepassingen zijn beschikbaar, verzegelde Hall Effect-apparaten zijn bijvoorbeeld waterdicht en zijn zo gemaakt dat ze ook bestand zijn tegen trillingen.

Magneetsensoren worden veel gebruikt in autosystemen, met name voor het analyseren van de positie van de autostoelen, veiligheidsgordels en voor het regelen van het airbagsysteem en ook voor het detecteren van de wielrotatiesnelheid voor het antiblokkeersysteem (ABS).

Hall-effect sensoren

Hall Effect-sensoren zijn magnetische sensoren waarvan de output afhankelijk is van het magnetische veld of de magnetische fluxdichtheid rond de magnetische sensor.

• Het woord "Hall" kwam van Dokter Edwin Hall, die dit Hall-effect voor het eerst ontdekte.
• Als er een extern magnetisch veld is dat verticaal staat ten opzichte van het object waardoor de stroom gaat, zal een elektromotorische kracht worden gegenereerd in de richting loodrecht op het magnetische veld en op de stroom.

Wat is Hall-spanning (V._H)?

Als een extern magnetisch veld wordt aangelegd in de magnetische sensor, wordt deze geactiveerd. De uitgangsspanning van de Hall Effect-sensor is evenredig met de sterkte van het aangelegde magnetische veld dat voorbijgaat. Nadat een bepaalde drempel van magnetische fluxdichtheid wordt overschreden door het externe veld, wordt een uitgangsspanning gegenereerd, die algemeen bekend staat als Hall-spanning (V._H).

Hall Coëfficiënt (R_H)

De hoeveelheid van het potentiaalverschil per dikte-eenheid van metaalstrip in het Hall-effect verdeeld door het product van de magnetische intensiteit en de longitudinale stroomdichtheid.

De eenheden van Hall-coëfficiënt R_H worden in het algemeen overgebracht als m³/ C of Ω · cm / G.

Constructie van Hall-effectsensoren:

Hall-sensorontwerp

Hall Effect-sensoren bestaan ​​over het algemeen uit een rechthoekig stuk halfgeleider, zoals indium antimoniet (InSb) of galliumarsenide (GaAs), bekend als een Hall-sonde gemonteerd op een aluminium plaat en geheel bedekt in de sondekop. Een sondehandgreep gemaakt van een niet-magnetisch materiaal is verbonden met de sondekop zodat het vlak van de rechthoekige plaat van halfgeleider loodrecht op de sondehandgreep staat.

Wanneer het apparaat is geactiveerd, vindt er een continue stroomstroom door de halfgeleider plaats. Als de externe magnetische veldlijnen loodrecht op de sondekop staan, zodat de gevijlde lijnen door de rechte hoeken door de sensor van de sonde gaan, ontstaat er een spanning die bekend staat als de 'Hall-effect'-spanning en geeft het apparaat een aflezing van magnetische fluxdichtheid (B) van het externe veld.

Symbool van Hall-effectsensor:

Wat is een Hall-effecttransducer?

Werkingsprincipe van Hall Effect-sensoren

• De Hall-effectsensor werkt voornamelijk door het effect van Lorentzkracht (het is de kracht die een geladen deeltje ervaart als gevolg van een elektrisch veld of een magnetisch veld, dwz gewoon een electromagnetisch veld).

• In aanwezigheid van een bestaand extern magnetisch veld van voldoende grootte, worden de elektronen in de halfgeleiderplaat afgebogen naar één rand van de plaat, dwz de gaten en de elektronen verschuiven naar beide zijden van de plaat als gevolg van de Lorentz-kracht die erop inwerkt.

• Hiervoor is de ene kant van de halfgeleider negatief geladen en de andere kant positief geladen. Dit veroorzaakt een spanningsgradiënt over de twee tegenoverliggende zijden van de rechthoekige plaat vanwege de opeenhoping van tegengestelde ladingen aan deze twee zijden. Deze spanning staat bekend als Hall-spanning (V._H), en het effect van het genereren van deze meetbare Hall-spanning door gebruik te maken van een extern magnetisch veld staat bekend als het Hall-effect.

• Om een ​​potentiaalverschil te genereren zodat een meetbare spanning wordt geproduceerd, moeten de externe magnetische veldlijnen in een rechte hoek staan ​​met het vlak waar de stroom door de plaat vloeit. Er moet ook voor de juiste polariteit worden gezorgd om de Hall Effect-sensoren te laten werken.

• Terwijl de elektronen en gaten uit elkaar schuiven, wordt een potentiaalgradiënt gegenereerd en neemt de scheiding toe totdat de kracht als gevolg van het elektrische veld de kracht van het magnetische veld in evenwicht brengt. Wanneer beide krachten elkaar balanceren, verandert de stroom niet en is de Hall-spanning die op dit punt en uit deze magnetische fluxdichtheid (B) wordt gedetecteerd, berekend.                       

• Als de uitgangsspanning lineair afhangt van de magnetische fluxdichtheid, dan noemen we het lineaire Hall Effect-sensoren, en als er een sterke afname is van de uitgangsspanning bij verschillende magnetische fluxdichtheid, dan wordt dit de drempel Hall Effect-sensor genoemd.

• We hebben gehoord over inductieve sensoren die reageren op een veranderend magnetisch veld omdat het een stroom induceert in een draadspoel en dus een spanning genereert in zijn output. Daarom kunnen inductieve sensoren alleen statische (niet-veranderende) magnetische velden detecteren, terwijl de Hall Effect-sensoren zowel veranderende als niet-veranderende magnetische velden kunnen detecteren.

• De Hall Effect-sensor kan informatie geven over het type magnetische pool dat wordt gebruikt om de spanning te genereren en ook de grootte van de externe magnetische fluxdichtheid (B). Met behulp van een groep sensoren kunnen we de relatieve positie van de gebruikte externe magneet vinden.

• De uitgangsspanning van de Hall Effect-sensor is over het algemeen van een vrij kleine omvang, zoals een paar microvolt, zelfs wanneer een sterk extern magnetisch veld over de sensor wordt aangelegd. Daarom zijn de meeste commercieel verkrijgbare Hall Effect-sensoren gebouwd met een ingebouwde DC-versterker en spanningsregelaars om de gevoeligheid van de sensor en de grootte van de uitgangsspanning te verbeteren.

Hall-effect-experiment

Analoge en digitale Hall-effectsensor

De output van de Hall Effect Sensor kan lineair (analoog) of digitaal zijn. De output van de lineaire Hall Effect-sensor is recht evenredig met het externe magnetische veld, dwz de magnetische fluxdichtheid gaat door de sensor en de output wordt gehaald uit de output van de differentiële OP-AMP. Hall Effect Lineaire (analoge) sensoren hebben een continue spanningsuitgang die verandert volgens de sterkte van het externe magnetische veld.

Formule van Hall-effectensensor:

De output van de lineaire Hall Effect-sensor kan worden uitgedrukt als:

Waar,

• V_H is de Hall-spanning
• R_H is de Hall-effectcoëfficiënt
• Ik is de stroom die door de sensor vloeit (halfgeleiderplaat)
• t is de dikte van de sensor
• B is de externe magnetische fluxdichtheid

In het geval van het Hall-effect wordt de output van de digitale sensor genomen van de output van de OPAMP, die op zijn beurt is verbonden met een Schmitt-trigger met ingebouwde hysteresis die oscillaties in de uitgangsspanning vermindert. In dit geval, alleen wanneer de externe veldsterkte hoger is dan een bepaalde waarde in het apparaat, schakelt het apparaat vanuit de UIT-toestand naar de AAN-toestand.

Type Hall-effectsensoren:

Afhankelijk van het type externe magnetische pool dat nodig is om ze te laten werken, zijn er twee typen Hall Effect-sensoren.

1. Bipolaire
2. Unipolair

De twee meest voorkomende detectieconfiguraties in een Hall Effect-sensor met een enkele magneet zijn frontale detectie en zijwaartse detectie. Bij zijwaartse detectie is het vereist om de magneet in een zijwaartse beweging voor het vlak van het Hall-effectelement te bewegen. Bij frontale detectie beweegt de magneet naar en van het halelement op een manier loodrecht op het vlak van het element.

Toepassingen van Hall-effectsensoren:

• Positiesensor: Bij gebruik in de aan/uit-modus, dwz met een digitale uitgang, het detecteren van het optreden van magnetische materieel is een van de belangrijke industriële toepassingen van Hall Effect-sensoren.
• DC-transformatoren: De Hall Effect-sensor wordt gebruikt om de magnetische DC-flux te meten, en als resultaat kan de DC-stroom worden berekend.
• Toetsenbordschakelaar: Voor sommige computertoetsenborden worden Hall Effect-schakelaars gebruikt. Maar vanwege de relatief hoge kosten is het vanwege hun hoge betrouwbaarheid beperkt tot het gebied van ruimtevaart en leger.
• Brandstofniveau-indicator: De Hall Effect-sensor detecteert de positie van een drijvend element met behulp van positiedetectie en wordt gebruikt als brandstofniveau-indicator voor auto's.
• Elektrische loopband: Hall-sensoren worden hier gebruikt voor snelheidssensoren en ook voor noodstop bij een onbedoelde val. De tailleband van de gebruiker in de loopband is bevestigd aan een trekkoord dat op zijn beurt is bevestigd aan een magneet. Als de gebruiker per ongeluk valt, raakt de magneet los en is er een stroomonderbreking waardoor de machine stopt.

Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier

Lees ook:

• Voorbeelden van magnetische velden
• Produceert een elektrisch veld een magnetisch veld?
• Is kevlar magnetisch
• Magnetisch veld versus magnetische veldsterkte
• Is magnetisch veld nul
• Verandert het magnetische veld?
• Is koolstofstaal magnetisch
• Is chroom magnetisch
• Wat produceert de sterkte van een magnetisch veld 2
• Magnetische veldlijnen van de aarde