¿El sensor Hall tiene alguna funda de cuero en el teléfono?
Por lo general, el elemento Hall tiene cuatro terminales, dos de los cuales son los terminales de entrada de la corriente de polarización I del elemento Hall y los otros dos son los terminales de salida del voltaje Hall. Si las dos salidas forman un bucle externo, se producirá una corriente Hall. En términos generales, la configuración de la corriente de polarización suele estar dada por una fuente de voltaje de referencia externa; si los requisitos de precisión son altos, todas las fuentes de voltaje de referencia se reemplazan por fuentes de corriente constante. Para lograr una alta sensibilidad, algunos elementos Hall están equipados con permalloy con alta permeabilidad magnética en la superficie de detección. Este tipo de sensor tiene un potencial Hall grande, pero está saturado alrededor de 0,05 T, por lo que solo es adecuado para su uso en un límite bajo y un rango pequeño.
Se aplica una corriente de control I a ambos extremos de la oblea semiconductora y se aplica un campo magnético uniforme con una intensidad de inducción magnética B en la dirección vertical de la oblea, generando así un voltaje Hall con un potencial diferencia de UH en la dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.
Principio de funcionamiento
Hay un chip semiconductor Hall en el campo magnético y una corriente constante I pasa a través del chip de A a B. Bajo la acción de la fuerza de Lorentz, El flujo de electrones I pasa a través de él. Cuando el semiconductor Hall está polarizado hacia un lado, se genera una diferencia de potencial en la dirección CD, la llamada tensión Hall.
El voltaje Hall cambia con los cambios en la intensidad del campo magnético. Cuanto más fuerte es el campo magnético, mayor es el voltaje; cuanto más débil es el campo magnético, menor es el voltaje. El voltaje Hall es muy pequeño, generalmente solo unos pocos milivoltios, pero puede amplificarse mediante amplificadores en circuitos integrados para generar una señal fuerte. Si el Hall IC desempeña una función de detección, debe cambiar la intensidad de la inducción magnética por medios mecánicos. El método que se muestra a continuación utiliza un impulsor giratorio como interruptor para controlar el flujo magnético. Cuando las palas del impulsor están ubicadas en el espacio de aire entre el imán y el Hall ic, el campo magnético se desvía del IC y el voltaje Hall desaparece. De esta forma, los cambios en el voltaje de salida del circuito integrado Hall pueden indicar una determinada posición del eje impulsor del impulsor. Utilizando este principio de funcionamiento, los chips de circuito integrado Hall se pueden utilizar como sensores de sincronización del encendido. Los sensores de efecto Hall son sensores pasivos que sólo funcionan con una fuente de alimentación externa, lo que permite detectar el funcionamiento a baja velocidad.
Efecto Hall
El efecto Hall es esencialmente la desviación de partículas cargadas en movimiento en un campo magnético causada por la fuerza de Lorentz. Cuando las partículas cargadas (electrones o huecos) están confinadas en un material sólido, esta desviación provoca la acumulación de cargas positivas y negativas en la dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético, creando un campo eléctrico lateral adicional. Para la muestra de semiconductor que se muestra en la Figura 1, si se aplica una corriente Is en la dirección X y un campo magnético B en la dirección Z, comenzarán a acumularse cargas de diferentes signos en ambos lados de los electrodos de las muestras A y A. ' en la dirección Y, generando así los correspondientes campos eléctricos adicionales. La dirección del campo eléctrico depende del tipo eléctrico de la muestra. Obviamente, el campo eléctrico impide que los portadores se muevan hacia los lados [1]
Cuando la fuerza del campo eléctrico transversal eEH de los portadores es igual a la fuerza de Lorentz, la acumulación de cargas en ambos lados de la muestra alcanzará el equilibrio. , entonces hay
⑴
Donde, EH es el campo eléctrico de Hall, v es la velocidad de deriva promedio de los portadores en la dirección de la corriente. Supongamos que el ancho de la muestra es b, el espesor es d y la concentración de portador es n, entonces
⑵
se puede obtener de (1) y (2)
⑶
Es decir, el voltaje Hall VH (el voltaje entre los electrodos A y A') es directamente proporcional al producto ISB e inversamente proporcional al espesor de la muestra d. El coeficiente se llama coeficiente Hall y es un parámetro importante que refleja el efecto Hall de los materiales. Siempre que se mida VH (voltios) y se conozcan IIs (amperios), B (Gauss) y D (centímetro), la RH (cm3/culombio) se puede calcular según la siguiente fórmula.
Clasificación
Los sensores Hall se dividen en dos tipos: sensores Hall lineales y sensores Hall conmutados.
(1) El sensor Hall de conmutación se compone de un regulador de voltaje, un elemento Hall, un amplificador diferencial, un disparador Schmitt y una etapa de salida, y genera cantidades digitales. También existe una forma especial de sensor Hall tipo interruptor llamado sensor Hall tipo cerradura.
(2) El sensor Hall lineal está compuesto por un elemento Hall, un amplificador lineal y un seguidor de emisor, y emite una señal analógica.
Los sensores lineales Hall se pueden dividir en tipos de bucle abierto y de bucle cerrado. Los sensores Hall de circuito cerrado también se denominan sensores Hall de flujo cero. Los sensores lineales Hall se utilizan principalmente para medir corriente y voltaje CA/CC. .
Tipo de interruptor
Como se muestra en la Figura 4, donde Bnp es la intensidad de inducción magnética en el punto de funcionamiento "encendido" y BRP es la intensidad de inducción magnética en el punto de liberación "apagado". ".
Cuando la intensidad de la inducción magnética aplicada excede el punto de acción Bnp, el sensor genera un nivel bajo; cuando la intensidad de la inducción magnética cae por debajo del punto de acción Bnp, el nivel de salida del sensor permanece sin cambios. Solo cuando cae al punto de liberación BRP, el sensor. cambia de nivel bajo a nivel bajo a nivel alto. La histéresis entre Bnp y BRP hace que la acción de conmutación sea más confiable.
Tipo de llave de bloqueo
Como se muestra en la Figura 5, cuando la intensidad de la inducción magnética excede el punto de acción Bnp, la salida del sensor cambia de nivel alto a nivel bajo, pero después de retirar En el campo magnético externo, su estado de salida permanece sin cambios (es decir, estado bloqueado) y el nivel solo se puede cambiar cuando la intensidad de inducción antimagnética alcanza BRP.
Tipo lineal
Existe una relación lineal entre el voltaje de salida y la fuerza del campo magnético externo, como se muestra en la Figura 3. Se puede ver que hay una buena linealidad en el rango de intensidad de inducción magnética de B1 ~ B2, y la intensidad de inducción magnética está saturada más allá de este rango.
Sensor de corriente de bucle abierto
Dado que hay un campo magnético en el solenoide energizado, su magnitud es proporcional a la corriente en el cable, por lo que se puede usar un sensor Hall para medir la Campo magnético para determinar la corriente en un cable. Utilizando este principio, se pueden diseñar y fabricar sensores de corriente Hall. Su ventaja es que no hace contacto eléctrico con el circuito bajo prueba, no afecta el circuito bajo prueba y no consume energía de la fuente de alimentación bajo prueba. Es especialmente adecuado para la detección de grandes corrientes.
El principio de funcionamiento del sensor de corriente Hall se muestra en la Figura 6. Un núcleo toroidal estándar tiene un espacio, el sensor Hall se inserta en el espacio y se enrolla una bobina alrededor del anillo. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, se genera un campo magnético y el sensor Hall tiene una salida de señal.
Sensor de corriente de circuito cerrado
El sensor de corriente de equilibrio magnético también se llama sensor de corriente de circuito cerrado de Hall, también llamado sensor de compensación, es decir, el campo magnético generado por la corriente medida. Ip en el circuito principal pasa a través de la bobina secundaria. El campo magnético generado por la corriente se compensa, de modo que el elemento Hall está en un estado de funcionamiento de detección de flujo magnético cero.
El proceso de trabajo específico del sensor de corriente de equilibrio magnético es: cuando la corriente pasa a través del circuito principal, el campo magnético generado en el cable es recogido por el anillo magnético e inducido en el elemento Hall, y el La salida de señal generada se utiliza para accionar el correspondiente. El tubo de alimentación se enciende, obteniendo así una corriente de compensación Is. Esta corriente genera un campo magnético a través del devanado multivuelta, que es exactamente opuesto al campo magnético generado por la corriente medida, compensando así el campo magnético original y reduciendo gradualmente la salida del elemento Hall. Cuando los campos magnéticos producidos por Ip multiplicado por el número de vueltas son iguales, Is ya no aumenta. En este momento, el elemento Hall desempeña la función de indicar un flujo magnético cero y puede equilibrarse mediante is. Cualquier cambio en la corriente medida alterará este equilibrio. Una vez que el campo magnético está desequilibrado, el elemento Hall tendrá una salida de señal. Después de la amplificación de potencia, la corriente correspondiente fluye inmediatamente a través del devanado secundario para compensar el campo magnético desequilibrado. En teoría, se necesitan menos de 1 μs para pasar del desequilibrio del campo magnético al reequilibrio, que es un proceso de equilibrio dinámico.
Ventajas
1. Los sensores Hall pueden medir corriente y voltaje de cualquier forma de onda, como CC, CA, forma de onda de pulso e incluso picos transitorios. La corriente secundaria refleja fielmente la forma de onda de la corriente primaria. Los transformadores comunes son incomparables y generalmente solo son adecuados para medir ondas sinusoidales de 50 Hz;
Sensor Xrdt Hall
2 Hay un buen aislamiento eléctrico entre el circuito primario y el circuito secundario, y el voltaje de aislamiento Hasta 9600 Vrms;
3. Alta precisión: la precisión es mejor que el 1% dentro del rango de temperatura de funcionamiento, adecuada para medir cualquier forma de onda;
4. superior al 0,1 %;
5. Amplio ancho de banda: el tiempo de subida de un sensor de corriente de alto ancho de banda puede ser inferior a 1 μs, pero el ancho de banda de un sensor de voltaje es relativamente estrecho, generalmente dentro de 15 kHz. El sensor de voltaje de alto voltaje de 6400 Vrms tiene un tiempo de subida de aproximadamente 500 uS y un ancho de banda de aproximadamente 700 Hz.
6. Rango de medición: el sensor Hall es un producto de serie, la medición de corriente es 50 KA, la medición de voltaje es 6400 V V.
Al utilizar el sensor de corriente Hall, se deben observar las siguientes precauciones. :
1. Para obtener mejores características dinámicas y sensibilidad, se debe prestar atención al acoplamiento entre la bobina primaria y la bobina secundaria. Para lograr un buen acoplamiento, lo mejor es utilizar un solo cable y llenar completamente la apertura del módulo del sensor Hall.
2. Durante el uso, cuando una gran corriente CC fluye a través de la bobina primaria del sensor y el circuito secundario no está conectado a la fuente de alimentación del regulador de voltaje o el lado secundario está en circuito abierto, su magnético. El circuito está magnetizado, lo que provoca que el magnetismo residual afecte la precisión de la medición (por lo que la fuente de alimentación y el terminal de medición M deben conectarse antes de su uso).
Cuando esto sucede, primero se debe realizar la desmagnetización. El método consiste en no agregar energía al circuito secundario, sino pasar el mismo nivel de corriente alterna a la bobina primaria y reducir gradualmente su valor.
3. Los sensores Hall tienen una fuerte resistencia a la interferencia del campo magnético externo, pero para obtener una mayor precisión de medición, cuando hay una fuerte interferencia del campo magnético, se deben tomar las medidas correspondientes para resolverlo. Los métodos comúnmente utilizados incluyen:
Ajustar la dirección del módulo para minimizar el impacto del campo magnético externo en el módulo;
Cubrir el módulo con una protección metálica para evitar el campo magnético. .
4. Obtenga la mejor precisión de medición al valor nominal. Para obtener una mayor precisión cuando la corriente medida está muy por debajo del valor nominal, se pueden utilizar varias vueltas en el lado primario. Pero es necesario prestar atención a la posición espacial del conductor (consulte el punto 1).
Uso
Los elementos de la sala tienen las características de estructura sólida, tamaño pequeño, peso ligero, larga vida útil, fácil instalación, bajo consumo de energía, alta frecuencia (hasta 1 MHZ) y resistencia a las vibraciones. , y sin miedo a la contaminación o corrosión por polvo, aceite, vapor de agua, niebla salina, etc.
Los dispositivos lineales Hall tienen alta precisión y buena linealidad; los dispositivos de interruptor Hall no tienen contactos, no tienen desgaste, formas de onda de salida claras, no tienen fluctuaciones, no tienen rebote y tienen una alta repetibilidad de posición (hasta el nivel de micras). Los elementos Hall tienen una variedad de medidas de compensación y protección y un amplio rango de temperatura de funcionamiento, hasta -55°C ~ 150°C.
Según la naturaleza del objeto de detección, su aplicación se puede dividir en aplicación directa y aplicación indirecta. El primero consiste en detectar directamente el campo magnético o las características magnéticas del objeto a detectar, mientras que el segundo consiste en detectar el campo magnético artificial en el objeto a detectar y utilizar este campo magnético como portador de la información detectada. A través de él, muchas cantidades físicas no eléctricas y no magnéticas, como fuerza, par, presión, tensión, posición, desplazamiento, velocidad, aceleración, ángulo, velocidad angular, velocidad de rotación, velocidad de rotación, tiempo cuando cambia el estado de trabajo, etc. Se convierten en electricidad para su detección y detección.
Medición de desplazamiento
Se colocan dos imanes permanentes con la misma polaridad uno frente al otro, y en el medio se coloca el sensor Hall lineal. Su intensidad de inducción magnética es cero, lo que puede ser. utilizado como punto cero del desplazamiento. Cuando el sensor Hall mueve △Z en el eje Z, el sensor tiene una salida de voltaje y el voltaje es proporcional al desplazamiento.
Medición de fuerza
Si parámetros como la tensión y la presión se convierten en desplazamiento, se puede medir la magnitud de la tensión y la presión. Basándose en este principio, se puede fabricar un sensor de fuerza.
Medición de velocidad angular
Coloca una pieza de acero magnético en el borde de un disco hecho de material no magnético y coloca el sensor Hall cerca del borde del disco. Cuando el disco gira una vez, el sensor Hall emite un pulso, lo que permite medir el número de revoluciones (contador). Si se conecta un frecuencímetro se puede medir la velocidad de rotación.
Medición lineal de velocidad
Si los sensores Hall tipo interruptor están dispuestos regularmente en la vía según posiciones predeterminadas, cuando el imán permanente instalado en el vehículo en movimiento pasa por el circuito de medición, se puede medir desde El circuito de medición mide la señal del pulso. Según la distribución de las señales de impulsos se puede medir la velocidad de movimiento del vehículo.
aplicación de aplicación
Editar
Aplicación de la tecnología de sensores Hall en la industria automotriz
La tecnología de sensores Hall se usa ampliamente en la industria automotriz , incluidos los sistemas de potencia, control de la carrocería, control de tracción y frenos antibloqueo. Para satisfacer las necesidades de diferentes sistemas, existen tres tipos de sensores Hall: tipo de conmutación, tipo analógico y tipo digital.
Los sensores Hall pueden estar hechos de metales y semiconductores. El cambio en la calidad del efecto depende del material del conductor. El material del conductor afectará directamente a los iones positivos y los electrones que fluyen a través del sensor. La industria automovilística suele utilizar tres materiales semiconductores para fabricar elementos Hall: arseniuro de galio, antimonuro de indio y arseniuro de indio. El material semiconductor más utilizado es el arseniuro de indio.
La forma del sensor Hall determina la diferencia en el circuito de amplificación, y su salida debe adaptarse al dispositivo controlado. Esta salida puede ser analógica, como un sensor de posición de aceleración o un sensor de posición del acelerador, o puede ser digital. Por ejemplo, un sensor de posición del cigüeñal o del árbol de levas.
Cuando se utilizan elementos Hall en sensores analógicos, el sensor se puede utilizar como termómetro en un sistema de aire acondicionado o como sensor de posición del acelerador en un sistema de control de potencia. El elemento Hall está conectado al amplificador diferencial, que a su vez está conectado al transistor NPN. El imán se fija en el eje giratorio y, cuando el eje giratorio gira, aumenta el campo magnético en el elemento Hall. El voltaje Hall generado es proporcional a la intensidad del campo magnético.
Cuando se utiliza un elemento Hall para una señal digital, como un sensor de posición del cigüeñal, un sensor de posición del árbol de levas o un sensor de velocidad del vehículo, primero se debe cambiar el circuito.
El elemento Hall está conectado al amplificador diferencial y el amplificador diferencial está conectado al disparador Schmitt. En esta configuración. El sensor emite una señal de encendido o apagado. En la mayoría de los circuitos automotrices, los sensores Hall son disipadores de corriente o circuitos de señal de tierra. Para realizar esta tarea, es necesario conectar un transistor NPN a la salida del disparador Schmitt. El campo magnético pasa a través del elemento Hall y las palas de la rueda del gatillo pasan entre el campo magnético y el elemento Hall.
Aplicación del sensor Hall en taxímetro
Aplicación del sensor Hall en taxímetro: Señal detectada por el sensor Hall A44E instalado en la rueda, se envía al microcontrolador, se procesa y calcula, y luego se envía a la unidad de visualización para completar el cálculo del kilometraje. Principio de detección: el puerto P3.2 se utiliza como terminal de entrada de señal y la interrupción externa 0 se utiliza internamente. Cada vez que la rueda gira (suponiendo que la circunferencia de la rueda sea de 1 m), el interruptor Hall detecta y emite una señal, lo que provoca que el microcontrolador se interrumpa. Cuando el recuento de impulsos llega a 1.000 veces, es decir, 1 km, el microcontrolador controla el aumento automático.
Cada vez que el sensor Hall emite una señal de bajo nivel, el microcontrolador interrumpirá una vez. Cuando el contador de kilometraje cuente hasta 1000 pulsos de kilometraje, un programa acumulará el total actual, de modo que la microcomputadora ingresará al programa de servicio de interrupción de conteo de kilometraje. En este programa, es necesario acumular el kilometraje actual y el monto total, y los resultados se almacenan en los registros de kilometraje y monto total.
Aplicación del sensor de corriente Hall en un convertidor de frecuencia
Se inducirá un campo magnético alrededor del cable a través del cual fluye la corriente, y luego el campo magnético inducido por la corriente se puede medir usando un elemento Hall. Descubra la magnitud de la corriente que genera este campo magnético. Por lo tanto, se pueden construir sensores de corriente y voltaje Hall. Dado que el voltaje de salida del elemento Hall es proporcional al producto de la intensidad de inducción magnética que se le aplica y la corriente operativa que fluye a través de él, es un dispositivo con una función multiplicadora y puede interconectarse directamente con varios circuitos lógicos o accionar cargas directamente. de diversas naturalezas. Debido a que el principio de aplicación de los elementos Hall es simple, el procesamiento de señales es conveniente y el dispositivo en sí tiene una serie de ventajas únicas, también juega un papel muy importante en los convertidores de frecuencia.
En el convertidor de frecuencia, la función principal del sensor de corriente Hall es proteger costosos transistores de alta potencia. Dado que el tiempo de respuesta del sensor de corriente Hall es inferior a 1 μs, cuando se produce una sobrecarga o un cortocircuito, se puede cortar el suministro de energía antes de que el transistor alcance la temperatura extrema, de modo que el transistor pueda protegerse de manera confiable.
Los sensores de corriente Hall se pueden dividir en tipo de medición directa y tipo de flujo cero según sus métodos de trabajo. Dado que el convertidor de frecuencia requiere control y cálculo precisos, se seleccionó el modo de flujo cero. El voltaje de salida del elemento Hall se amplifica y luego la corriente se amplifica, de modo que esta corriente pasa a través de la bobina de compensación. El campo magnético generado por la bobina de compensación es opuesto al campo magnético generado por la corriente que se está midiendo. Si se cumple la condición IoN1=IsN2, el flujo magnético en el núcleo es 0 y la siguiente fórmula es verdadera:
Io=Is(N2/N1)
Donde, Io es la corriente de medición, es decir, la corriente del devanado primario en el núcleo magnético, N1 es el número de vueltas del devanado primario, Is es la corriente del devanado de compensación y N2 es el número de vueltas del devanado de compensación . Según la fórmula anterior, cuando se alcanza el equilibrio magnético, Io se puede obtener a partir de Is y la relación de vueltas N2/N1.
La característica del sensor de corriente Hall es que puede realizar una detección de corriente "libre de potencial". En otras palabras, no es necesario conectar el circuito de medición al circuito bajo prueba para lograr la detección de corriente, se acoplan a través del campo magnético. Por tanto, los circuitos de entrada y salida del circuito de detección están completamente aislados eléctricamente. Durante el proceso de detección, el circuito de detección y el circuito detectado no se afectan entre sí.