Te komponente se večinoma uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo visoko stopnjo natančnosti, kot so elektronski sistemi za plin in avtomatizirani menjalniki.
Hall Effect - Začetek
Ko tok vrednosti ib kroži skozi majhno kroglico polprevodniškega materiala, potopljeno v magnetno polje pretoka B, se pojavi napetost Vh v smeri, ki je pravokotna na tok in magnetni pretok.
Če je tok ib konstanten, je ustvarjena napetost Vh odvisna od magnetnega pretoka B, ki je največji, ko vpada pravokotno na smer toka ib, in najmanjši (nič), ko je vzporeden.
Napetost je odvisna tudi od tega, kako blizu je magnet vložku. Posledično vsaka sprememba magnetnega pretoka povzroči spremembo ustvarjene napetosti. Povečanje magnetnega pretoka povzroči povečanje ustvarjene napetosti.
Tako HALL-ov senzor spreminja svoj izhod kot odziv na spremembo magnetnega polja, s katerim deluje. Ta lastnost se uporablja pri konstrukciji senzorjev: rotacija, linearni premik in kotni položaj.
Senzor kotnega položaja
Preverjeno je, da je s postavitvijo senzorja HALL blizu magneta, pritrjenega na premikajočo se napravo, mogoče izmeriti napetost, ki je sorazmerna razdalji, ki loči napravo od senzorja, ali orientaciji (kotu) naprave glede na senzor.
Analiza delovanja senzorja kotnega položaja je narejena z uporabo slike 2.
- Na slikah 2a in 2c je tok vzporeden s smerjo toka, zato je ustvarjena napetost enaka nič.
- Na slikah 2b in 2d je tok pravokoten na smer toka, zato je generirana napetost največja; pozitivno v primeru
slika 2b in negativ v 2d.
- Slika 3 prikazuje napetostni val kot funkcijo kotnega položaja magneta.
Slika 4 predstavlja praktično uporabo zgornjih konceptov pri konstrukciji senzorja kotnega premika.
Magnet in rotor z magnetnim diskom se vrtita, ki ju premika pogonska palica mehanske naprave, katere položaj je treba določiti. Hallov senzor ostane fiksen, tako da bo ustvarjena napetost odvisna od kotnega položaja magneta glede na senzor.
Slika 5 prikazuje shemo senzorja z zaznavnim Hallovim elementom, povezanim z elektronskim vezjem (nameščenim znotraj senzorja), ki obdeluje in kondicionira njegov signal.
Napetostni signal Hallovega elementa ojača ojačevalnik A in digitalizira analogno/digitalni pretvornik.
Nato digitalizirani signal obdela mikroprocesor, ki kot rezultat zagotovi izhodni signal Vh, kot je prikazano na grafu na sliki 6. Ta konfiguracija predstavlja skoraj linearno variacijo napetosti za kote med +/- 45O položaja magnetnega polja vzporedno s Hallovim elementom. Pri tokovnih senzorjih sta tako ojačevalnik kot pretvornik integrirana v sam mikroprocesor.
Kritične točke te konfiguracije so:
- Visoka občutljivost na zunanja magnetna polja z neželenimi učinki.
- Visoka občutljivost na položaj senzorja glede na magnet, kar nalaga minimalne tolerance pri montaži.
- Intenzivnost magnetnega polja, ki ga ustvari magnet, je odvisna od temperature, zato spremembe te povzročijo neželene spremembe v izhodni napetosti, kar vpliva na natančnost senzorja.
Za merjenje večjih kotov, do 360 stopinj in ki eliminira kritične točke, omenjene v prejšnji točki, se uporablja konfiguracija slike 7. Senzor je sestavljen iz polprevodniškega substrata, v katerem so 4 Hallovi elementi, postavljeni po dva dva sta integrirana diametralno nasprotno na osi X in Y. Kot je prikazano na sliki, je preko Hallovih elementov diametralno magnetizirana plošča pritrjena na os, katere kot je treba izmeriti.
Slika 8 prikazuje shemo z elektronskim vezjem (vgrajenim v sam senzor), ki pogojuje signale, ki jih generirajo Hallovi elementi.
Pri obračanju magnetiziranega diska se napetost vsakega Hallovega elementa spreminja kot funkcija položaja diska, pri čemer zavzema vrednosti v skladu s krivuljami grafov Vx1, Vx2, Vy1 in Vy2. Ojačevalniki izvajajo, točko za točko, vsoto napetosti in njihovo ojačanje, pri čemer ustvarjajo napetosti Vy in Vx
Te analogne signale digitalizirajo pretvorniki, ki jih obdela mikroprocesor z uporabo matematične formule, prek katere je izračunana vrednost kota neodvisna od vrednosti napetosti Hallovih elementov. Posledično so odpravljene temperaturne motnje, ki, kot je poudarjeno v prejšnji točki, povzročajo neželena nihanja napetosti, ki jo ustvarjajo Hallovi elementi.
S tako izračunano vrednostjo mikroprocesor ustvari izhodni signal senzorja, ki je lahko:
- Analogni napetostni signal, ki se spreminja linearno kot funkcija zasukanega kota.
- Signal s spremenljivim delovnim ciklom (PWM), katerega delovni cikel je funkcija položaja senzorja.
Linearni senzor položaja
Preverjeno je, da je s postavitvijo senzorja HALL blizu magneta, pritrjenega na premikajočo se napravo, mogoče izmeriti napetost, ki je sorazmerna razdalji, ki loči napravo od senzorja, ali orientaciji (kotu) naprave glede na senzor.
Analiza delovanja kot linearni senzor položaja je narejena z uporabo slike 9. Na splošno je pri teh senzorjih Hallov element fiksiran in magnet pritrjen na napravo, katere položaj (linearni premik) je treba odločen.
- Na sliki 9a je magnet premaknjen v levo, tako da magnetno polje B vpada na Hallov element v skladu s smerjo puščice. Posledično je napetost Vh maksimalno pozitivna.
- Na sliki 9b je magnet v vmesnem položaju, tako da je magnetno polje B vzporedno s Hallovim elementom. Posledično je napetost Vh enaka nič.
- Na sliki 9c je magnet premaknjen v desno, tako da magnetno polje B vpada na Hallov element v smeri puščice. Posledično je napetost Vh maksimalno negativna.
Slika 10 prikazuje graf z napetostnim valom Vh, ki ga ustvari Hallov element, kot funkcijo relativnega položaja magneta. Primer ustreza primeru 1 cm dolgega magneta.
- Na sliki 11a je magnet premaknjen v desno s polom S pred Hallovim elementom, tako da je magnetno polje B pravokotno na ravnino elementa in v smeri, ki ustvarja največji pozitivni napetost Vh. (točka [a] na sliki 10)
- Na sliki 11b je magnet nameščen tako, da sta poli enako oddaljeni od Hallovega elementa. Zaradi tega je magnetno polje B vzporedno z ravnino elementa. Posledično je napetost Vh enaka nič. (pika na sliki 10)
- Na sliki 11c je magnet premaknjen v levo s polom N pred Hallovim elementom, tako da je magnetno polje B pravokotno na ravnino elementa in v smeri, ki ustvarja največji negativni napetost Vh. (pika [c] na sliki 10).
Opazite, da se v situacijah, ko se magnet premakne čez položaj [a] in (največje napetosti), napetost Vh zmanjšuje, dokler ni nič (točke [x]). To je posledica zmanjšanja jakosti magnetnega polja, ki ga zazna Hallov element.
Upoštevajte tudi linearnost napetostnega vala za položaje med maksimalnimi točkami, ki definira najprimernejše območje premika za zaznavanje premika. To je tam, kjer so informacije senzorja točne. Upoštevajte, da je ta razpon približno enak dolžini magneta. V primeru primera +/-0,5 cm premik središčne lege magneta glede na Hallov element. Tako je za pravilno zaznavanje večjih pomikov potrebno povečati dolžino magneta.
Senzor vrtenja
Slike prikazujejo uporabo Hallovega učinka pri senzorjih vrtenja.
Na sliki 12 je magnetni obroč pritrjen na os, katere vrtenje je treba meriti. Takoj, ko se gred vrti, menjava polarnosti N-S povzroči inverzijo smeri magnetnega pretoka in s tem spremembo napetosti, ki jo ustvari Hallov element, ki, obdelan z ojačevalnikom in pripadajočim elektronskim vezjem, povzroči izhodni signal Vs.
Na sliki 13 Hallov element, nameščen med foničnim kolesom in magnetom (znotraj senzorja), tvori z njima magnetno vezje. V tej konfiguraciji magnetno polje stalno prehaja skozi Hallov element in tako ustvari minimalno napetost Vh. Prehod zoba pred elementom povzroči reluktantno spremembo magnetnega kroga, kar okrepi polje, ki prehaja skozi element. Posledično se poveča napetost Vh. Z obdelavo napetosti Vh ojačevalnik in povezano elektronsko vezje ustvarita izhodni signal Vs, kot je prikazano na sliki 12.
Slika 14 prikazuje primer senzorja vrtenja, ki se uporablja v sistemih za vžig z razdelilnikom (npr. vozila Autolatina). V tej konfiguraciji med vrtenjem rotor iz feromagnetnega materiala vstavi loputo ali okno med magnet in Hallov element.
- Prisotnost okna omogoča, da magnetno polje pade pravokotno na Hallov element, kar ustvarja napetost Vh.
- Prisotnost lopute, nasprotno, blokira magnetno polje, zato je napetost Vh enaka nič.
Elektronsko vezje, podobno tistim na slikah 12 in 13, obdeluje napetost Vh, ki generira impulzni izhodni signal, kot je prikazano na sliki 12.
