Hall-effectsensor
Hall-effectsensoren detecteren de magnetische veldsterkte en richting van een permanente magneet of elektromagneet. De uitgang van de Hall-effectsensor is een functie van het magnetische veld en kan zowel positieve als negatieve magnetische velden detecteren.
Werkingsprincipe van Hall-effectsensor
Een extern magnetisch veld activeert Hall-effectsensoren. Magnetische velden worden weergegeven met de fluxdichtheid (B) en door de magnetische polen ervan, zoals de noordpool of de zuidpool. Het magnetisme rond de Hall-effectsensor bepaalt het uitgangssignaal. Wanneer de magnetische fluxdichtheid van de omgeving een vooraf bepaalde drempelwaarde overschrijdt, produceert de sensor een Hall-spanning, VH.
Halfgeleidersensoren zijn p-type halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs), indiumarsenide (InAs) en indiumantimonide (InSb) die gelijkstroom geleiden. Het halfgeleidermateriaal ondervindt een kracht in aanwezigheid van een magnetisch veld, waardoor zowel elektronen als gaten naar de zijkanten van de halfgeleiderlaag bewegen. Terwijl elektronen en gaten naar beide kanten bewegen, ontstaat er een potentiaalverschil tussen de verschillende zijden van de halfgeleiders. In vlakke rechthoekige materialen heeft een extern magnetisch veld loodrecht op het halfgeleidermateriaal een groter effect op de elektronenmobiliteit.
Het hall-effect toont het magnetische pooltype en de veldsterkte ervan. Er staat bijvoorbeeld spanning op een van de polen van de magneet, maar niet op de andere. Hall-effectsensoren zijn meestal 'uit' en gedragen zich als een open circuit als er geen magnetisch veld is. Ze zijn alleen gesloten onder een sterk gepolariseerd magnetisch veld (gesloten circuit).
Hall-effect magnetische sensorkarakteristieken
De halspanning (V H ) van de Hall-effectsensor is een functie van de magnetische veldsterkte (H). De meeste commerciële hall-effectapparaten bevatten DC-versterkers, logische schakelcircuits en spanningsregelaars om de sensorgevoeligheid en uitgangsspanningen te verbeteren. Hierdoor kan de Hall-effectsensor meer vermogen en magnetische velden verwerken.
Hall-effect magnetische sensor schakelschema
De semi-actieve sensoren hebben lineaire of digitale uitgangen. De uitgangsspanning van de lineaire sensor heeft rechtstreeks betrekking op het magnetische veld dat door de hall-sensor stroomt en wordt uitgevoerd door een operationele versterker.
Hall-effect spanningsvergelijking
De uitgangsspanningsvergelijking wordt gegeven door:
Hier, V H geeft de halspanning aan, R H geeft de Hall-effectcoëfficiënt aan, I geeft de stroom aan, t geeft de dikte aan en B staat voor de magnetische fluxdichtheid. Lineaire of analoge sensoren produceren een constante spanning die toeneemt bij sterkere magnetische velden en afneemt bij zwakkere velden. Bij een hall-effectsensor neemt het uitgangssignaal van de versterker toe naarmate de sterkte van het magnetische veld toeneemt totdat de voeding verzadigd raakt. Het vergroten van het magnetische veld zorgt ervoor dat de output verzadigt, maar heeft geen effect:
Wanneer de output van de hall-sensor een vooraf bepaald niveau van magnetische flux die er doorheen stroomt overschrijdt, schakelen de contacten snel van de 'gesloten' toestand naar de 'open' toestand zonder te stuiteren. Deze ingebouwde hysteresis voorkomt dat het uitgangssignaal gaat oscilleren wanneer de sensor in het magnetische veld beweegt. Dit betekent dat de digitale uitgangssensor alleen de status “aan” en “uit” heeft.
Hall-effectsensortypen
Hall-effectsensoren kunnen van twee typen zijn: bipolaire hall-effectsensoren en unipolaire hall-effectsensoren. Unipolaire sensoren kunnen werken en ontladen bij het binnenkomen en verlaten van een magnetisch veld met dezelfde magnetische zuidpool, terwijl bipolaire sensoren zowel positieve als negatieve magnetische velden nodig hebben om te werken en te ontladen. Vanwege hun 10-20 mA-uitgangsaandrijfmogelijkheden kunnen de meeste Hall-effectapparaten niet direct hoge stroombelastingen schakelen. Voor zware stroombelastingen wordt een NPN-transistor aan de uitgang toegevoegd met een open collectoropstelling.
Toepassingen van de Hall-effectsensoren
De Hall-effectsensoren worden ingeschakeld in de aanwezigheid van magnetische velden en worden bestuurd door een enkel permanent type magneet op een bewegende as of gadget. Om de gevoeligheid te maximaliseren, moeten de magnetische fluxlijnen loodrecht op het sensorveld staan en in alle configuraties de juiste polarisatie hebben.
1: Head-on-detectie
Het vereist dat het magnetische veld loodrecht op de Hall-effectdetector staat, zoals hieronder weergegeven:
Deze techniek produceert een uitgangssignaal, V H , dat de magnetische fluxdichtheid in lineaire apparaten meet als een functie van de afstand tot de Hall-effectsensor. De uitgangsspanning neemt toe met de sterkte en de nabijheid van het magnetische veld.
2: Zijwaartse detectie
Het vereist een indirecte magnetische flux terwijl de magneet zijwaarts over het Hall-effectelement beweegt.
Laterale of beweegbare sensoren kunnen de snelheid van roterende magneten of motoren meten door het magnetische veld te detecteren dat op een bepaalde afstand van de luchtspleet over het oppervlak van het Hall-element glijdt.
Er kan een positieve of negatieve lineaire uitgangsspanning worden geproduceerd, afhankelijk van de positie van het magnetische veld dat door de nulveldmiddellijn van de sensor gaat. Het bepaalt verticale en horizontale bewegingen.
3: Positiecontrole
De positiedetector blijft in de “uit”-status wanneer er geen magnetisch veld is. Zodra de zuidpool van de magneet loodrecht op de buurt van de Hall-effectsensor beweegt, schakelt het apparaat in en brandt de LED. Wanneer ingeschakeld, bevindt de Hall-effectsensor zich in de “AAN”-status.
Om de LED uit te schakelen, moet het magnetische veld onder het minimaal detecteerbare triggerpunt komen, of het kan ook geconfronteerd worden met de tegenovergestelde noordpool met een negatieve Gauss-waarde.
Conclusie
De Hall-effectsensoren worden gebruikt voor het detecteren van zowel de richting als de sterkte van magnetische velden. Ze worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder auto-, nabijheidsdetectie, frontale, zijwaartse en positiedetectie voor verschillende magnetische velden.