Senzorii magnetici convertesc informații codificate magnetic în semnale electrice pentru procesarea prin circuite electronice, iar în tutorialele senzori și traductoare am analizat senzorii inductivi de proximitate și LDVT, precum și servomotoarele de ieșire solenoid și releu.

Senzorii magnetici sunt dispozitive solid-state care devin din ce în ce mai populare deoarece pot fi utilizate în mai multe tipuri de aplicații, cum ar fi detectarea poziției, vitezei sau direcției de mișcare. Ei sunt, de asemenea, o alegere populară de senzori pentru designerul de electronice, datorită funcționării fără uzură și fără contact, a mentenanței reduse a acestora, a designului robust și a faptului că dispozitivele cu efect-Hall sigilate sunt imune la vibrații, praf și apă.

Unul dintre principalele utilizări ale senzorilor magnetici este în sistemele auto pentru detectarea poziției, distanței și vitezei. De exemplu, poziția unghiulară a arborelui cotit pentru unghiul de aprindere al bujiilor, poziția scaunelor auto și a centurilor de siguranță pentru controlul airbag-ului sau detectarea vitezei roților pentru sistemul antiblocare (ABS).

Senzorii magnetici sunt concepuți pentru a răspunde la o gamă largă de câmpuri magnetice pozitive și negative într-o varietate de aplicații diferite și un tip de senzor magnetic al cărui semnal de ieșire este o funcție de densitatea câmpului magnetic în jurul acestuia se numește senzor cu efect Hall.

Senzorii cu efect-Hall sunt dispozitive care sunt activate de un câmp magnetic extern. Știm că un câmp magnetic are două caracteristici importante: densitatea fluxului (B) și polaritate (Poli Nord și Sud). Semnalul de ieșire de la un senzor cu efect-Hall este funcție de densitatea câmpului magnetic în jurul dispozitivului. Când densitatea fluxului magnetic în jurul senzorului depășește un anumit prag prestabilit, senzorul o detectează și generează o tensiune de ieșire numită tensiune Hall VH. Considerați diagrama de mai jos.

Principiile senzorului cu efect-Hall

Senzorii cu efect-Hall constau în principal dintr-o piesă subțire de material semiconductor dreptunghiular de tip p, cum ar fi arseniura de galiu (GaAs), antimoniura de indiu (InSb) sau arseniura de indiu (InAs) prin care trece un curent continuu. Când dispozitivul este plasat într-un câmp magnetic, liniile fluxului magnetic exercită o forță pe materialul semiconductor care deplasează purtătoarele de sarcină, electroni și găuri, la fiecare parte a plăcii semiconductoare. Această mișcare a purtătorilor de sarcină este rezultatul forței magnetice pe care ei o exercită trecând prin material semiconductor.

Pe măsură ce acești electroni și găuri se deplasează spre părțile laterale, se produce o diferență de potențial între cele două laturi ale materialului semiconductor prin acumularea acestor purtători de sarcină. Deci, mișcarea electronilor prin materialul semiconductor este afectată de prezența unui câmp magnetic extern care este în unghi drept pe el și acest efect este mai mare într-un material plat de formă dreptunghiulară.

Efectul generării unei tensiuni măsurabile prin utilizarea unui câmp magnetic este numit Hall Effect după Edwin Hall, care l-a descoperit în anii 1870, cu principiul fizic de bază care stă la baza efectului-Hall fiind forța Lorentz. Pentru a genera o diferență de potențial pe dispozitiv, liniile fluxului magnetic trebuie să fie perpendiculare (90⁰) pe fluxul de curent și să aibă o polaritate corectă, în general un pol sud.

Efectul-Hall oferă informații privind tipul de pol magnetic și magnitudinea câmpului magnetic. De exemplu, un pol sud ar determina dispozitivul să producă o ieșire de tensiune în timp ce un pol nord nu ar avea efect. În general, senzorii și întrerupătoarele cu efect-Hall sunt proiectate să fie în poziția "OFF" (stare deschisă a circuitului) atunci când nu există un câmp magnetic. Ele activează "ON" (condiție de circuit închis) doar atunci când sunt supuse unui câmp magnetic cu o intensitate și polaritate suficiente.

Senzor magnetic cu efect-Hall

Tensiunea de ieșire, numită tensiunea Hall (VH) a elementului de bază Hall este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic care trece prin materialul semiconductor (ieșire ~ H). Această tensiune de ieșire poate fi destul de mică, doar câteva microvolți, chiar și atunci când este supus câmpurilor magnetice puternice, astfel încât cele mai multe dispozitive cu efect-Hall disponibile în comerț sunt fabricate cu amplificatoare DC încorporate, circuite logice de comutare și regulatoare de tensiune pentru a îmbunătăți sensibilitatea, histerezisul și tensiunea de ieșire a senzorilor. Acest lucru permite senzorului cu efect-Hall să funcționeze pe o gamă mai largă de surse de alimentare și condiții de câmp magnetic.

Senzorul cu efect-Hall

Senzorii cu efect-Hall sunt disponibili cu ieșiri lineare sau digitale. Semnalul de ieșire al senzorilor liniari (analogici) este luat direct de la ieșirea amplificatorului operațional, tensiunea de ieșire fiind direct proporțională cu câmpul magnetic care trece prin senzorul Hall. Această tensiune Hall de ieșire este dată de:

Senzorii liniari sau analogici dau o tensiune continuă de ieșire care crește cu un câmp magnetic puternic și scade cu un câmp magnetic slab. În senzorii cu efect-Hall cu ieșire liniară, pe măsură ce intensitatea câmpului magnetic crește, semnalul de ieșire din amplificator va crește, de asemenea, până când începe să se satureze prin limitele impuse de sursa de alimentare. Orice creștere suplimentară a câmpului magnetic nu va avea efect asupra ieșirii, ci va conduce mai mult la saturație.

Senzorii cu ieșire digitală, pe de altă parte, au un trigger-Schmitt cu histerezis încorporat conectat la op-amp (AO). Atunci când fluxul magnetic care trece prin senzorul Hall depășește o valoare prestabilită, ieșirea din dispozitiv comută rapid între starea sa "OFF" și o stare "ON" fără niciun fel de oscilație de contact. Acest histerezis integrat elimină orice oscilație a semnalului de ieșire, deoarece senzorul intră în și iese din câmpul magnetic. Atunci, senzorii cu ieșire digitală au doar două stări, "ON" și "OFF".

Există două tipuri de bază de senzor digital cu efect-Hall, bipolar și unipolar. Senzorii bipolari necesită un câmp magnetic pozitiv (polul sud) pentru a-i acționa și un câmp negativ (polul nord) pentru a reveni, în timp ce senzorii unipolari necesită un singur pol magnetic sud pentru a opera și a reveni, pe măsură ce se deplasează în și din câmpul magnetic.

Majoritatea dispozitivelor cu efect-Hall nu pot comuta direct sarcini electrice mari, deoarece capacitățile lor de comandă a ieșirii sunt foarte mici, în jur de 10-20 mA. Pentru sarcini mari de curent, la ieșire se adaugă un tranzistor NPN cu colector deschis (curent absorbit).

Acest tranzistor funcționează în regiunea sa saturată ca un comutator NPN de absorbire care scurtcircuitează terminalul de ieșire la masă ori de câte ori densitatea de flux aplicată este mai mare decât cea a punctului prestabilit "ON".

Tranzistorul de comutare a ieșirii poate fi un tranzistor cu emitor deschis, un tranzistor cu colector deschis, fie ambele care oferă o configurație de ieșire tip push-pull care poate absorbi suficient curent pentru a comanda direct mai multe sarcini, inclusiv relee, motoare, LED-uri și lămpi.

Aplicații ale efectului-Hall

Senzorii cu efect-Hall sunt activați de un câmp magnetic și în multe aplicații dispozitivul poate fi acționat de un singur magnet permanent atașat la un arbore sau dispozitiv în mișcare. Există mai multe tipuri diferite de mișcări de magnet, cum ar fi mișcările de detectare de tip frontal, lateral, "Push-pull" sau "Push-push" etc. Pentru a asigura o sensibilitate maximă, liniile magnetice ale fluxului trebuie să fie întotdeauna perpendiculare pe aria de detectare a dispozitivului și trebuie să aibă o polaritate corectă.

De asemenea, pentru a asigura liniaritatea, sunt necesari magneți cu intensitate de câmp mare care produc o schimbare mare în intensitatea câmpului pentru mișcarea necesară. Există mai multe căi posibile de mișcare pentru detectarea unui câmp magnetic, și mai jos sunt două dintre configurațiile de detecție mai frecvente folosind un singur magnet: Detectare frontală și Detectare laterală.

Detectare frontală

După cum sugerează și numele, "detectarea frontală" necesită ca câmpul magnetic să fie perpendicular pe dispozitivul de detectare cu efect-Hall și că, pentru detectare, acesta se apropie de senzor direct pe fața activă. Un fel de abordare "frontală".

Această abordare frontală generează un semnal de ieșire VH care în dispozitivele liniare reprezintă puterea câmpului magnetic, densitatea fluxului magnetic, în funcție de distanța de senzorul cu efect-Hall. Cu cât este mai aproape de câmpul magnetic, cu atât este mai mare tensiunea de ieșire și invers.

Dispozitivele lineare pot de asemenea să diferențieze câmpurile magnetice pozitive și negative. Dispozitivele neliniare pot fi făcute pentru a declanșa ieșirea "ON" la o distanță prestabilită a distanței de aer față de magnet pentru a indica detectarea poziționării.

Detectare laterală

A doua configurație de detectare este "detectarea laterală". Aceasta necesită deplasarea magnetului pe fața elementului cu efect-Hall într-o mișcare laterală.

Detectarea laterală sau glisarea este utilă pentru detectarea prezenței unui câmp magnetic în timp ce se deplasează pe fața elementului Hall într-o distanță fixă ​​a spațiului de aer, de exemplu, numărarea magneților rotativi sau viteza de rotație a motoarelor.

În funcție de poziția câmpului magnetic în timp ce acesta trece prin linia centrală a câmpului zero al senzorului, poate fi produsă o tensiune de ieșire liniară reprezentând atât o ieșire pozitivă, cât și una negativă. Aceasta permite detectarea mișcărilor direcționale care pot fi atât verticale, cât și orizontale.

Există multe aplicații diferite pentru senzorii cu efect-Hall, în special ca senzori de proximitate. Ei pot fi folosiți în loc de senzori optici și de lumină, unde condițiile de mediu constau în apă, vibrații, murdărie sau ulei, cum ar fi în aplicații auto. Dispozitivele cu efect Hall pot fi de asemenea utilizate pentru detectarea curentului.

Știm că atunci când un curent trece printr-un conductor, în jurul acestuia se produce un câmp electromagnetic circular. Prin plasarea senzorului Hall lângă conductor, curenții electrici de la câțiva miliamperi până la mii de amperi pot fi măsurați din câmpul magnetic generat fără a fi nevoie de transformatoare și bobine mari sau scumpe.

Pe lângă detectarea prezenței sau absenței magneților și câmpurilor magnetice, senzorii cu efect-Hall pot fi utilizați pentru a detecta materiale feromagnetice, cum ar fi fierul și oțelul, plasând un mic magnet permanent "polarizat" în spatele zonei active a dispozitivului. Senzorul se află acum într-un câmp magnetic permanent și static și orice modificare sau perturbare a acestui câmp magnetic prin introducerea unui material feros va fi detectată cu sensibilități de mV/G pe cât de mici posibile.

Există multe modalități diferite de a interconecta senzorii cu efect-Hall cu circuitele electrice și electronice, în funcție de tipul de dispozitiv, digital sau liniar. Un exemplu foarte simplu și ușor de construit este utilizarea unei diode emițătoare de lumină, după cum se arată mai jos.

Detectorul pozițional

Acest detector pozițional frontal va fi "OFF" atunci când nu există nici un câmp magnetic, (0 gauss). Când polul sud al magnetului permanenți (gauss pozitiv) se mișcă perpendicular pe aria activă a senzorului cu efect-Hall, dispozitivul comută "ON" și aprinde LED-ul. Odată comutat "ON", senzorul cu efect Hall rămâne "ON".

Pentru a comuta dispozitivul și, prin urmare, LED-ul "OFF", câmpul magnetic trebuie să fie redus sub punctul de eliberare al senzorilor unipolari sau expus la un pol magnetic nord (gauss negativ) pentru senzorii bipolari. LED-ul poate fi înlocuit cu un tranzistor de putere mai mare dacă ieșirea senzorului cu efect-Hall necesită să comute sarcini de curent mai mari.

Mai multe informații pe Senzori cu efect-Hall