Wat is Hall-effect en hoe Hall-effectsensoren werken?

In deze tutorial leren we wat Hall-effect is en hoe Hall-effectsensoren werken. Je kunt de volgende video bekijken of de schriftelijke tutorial hieronder lezen.

Overzicht

Het Hall-effect is de meest gebruikelijke methode om magnetisch veld te meten en de Hall-effect-sensoren zijn erg populair en hebben veel hedendaagse toepassingen. Ze zijn bijvoorbeeld te vinden in voertuigen als wielsnelheidssensoren en als krukas- of nokkenaspositiesensoren. Ze worden ook vaak gebruikt als schakelaars, MEMS-kompassen, naderingssensoren enzovoort. Nu zullen we enkele van deze sensoren doornemen en zien hoe ze werken, maar laten we eerst uitleggen wat het Hall-effect is.

Wat is Hall-effect?

Dit is het experiment dat het Hall-effect verklaart:als we een dunne geleidende plaat hebben, zoals geïllustreerd, en we stellen de stroom erdoorheen, dan zouden de ladingsdragers in een rechte lijn van de ene naar de andere kant van de plaat stromen.

Als we nu een magnetisch veld in de buurt van de plaat brengen, zouden we de rechte stroom van de ladingsdragers verstoren als gevolg van een kracht die Lorentzkracht wordt genoemd (Wikipedia). In zo'n geval zouden de elektronen naar de ene kant van de plaat afbuigen en de positieve gaten naar de andere kant van de plaat. Dit betekent dat als we nu een meter tussen de andere twee zijden plaatsen, we een spanning krijgen die kan worden gemeten.

Dus het effect van het verkrijgen van een meetbare spanning, zoals we hierboven hebben uitgelegd, wordt het Hall-effect genoemd, naar Edwin Hall die het in 1879 ontdekte.

Hall-effectsensoren

Het basis Hall-element van de magnetische Hall-effectsensoren levert meestal een zeer kleine spanning van slechts een paar microvolt per Gauss, daarom worden deze apparaten meestal vervaardigd met ingebouwde versterkers met hoge versterking.

Er zijn twee soorten Hall-effectsensoren, de ene met analoge en de andere met digitale output. De analoge sensor is samengesteld uit een spanningsregelaar, een Hall-element en een versterker. Uit de circuitschema's kunnen we zien dat de output van de sensor analoog is en evenredig met de Hall Element-output of de magnetische veldsterkte. Dit type sensoren is geschikt en wordt gebruikt voor het meten van nabijheid vanwege hun continue lineaire output.

Aan de andere kant bieden de digitale uitgangssensoren slechts twee uitgangstoestanden, ofwel "AAN" of "UIT". Dit type sensoren heeft een extra element, zoals geïllustreerd in het schakelschema. Dat is de Schmitt-trigger die hysteresis of twee verschillende drempelniveaus biedt, zodat de output hoog of laag is. Voor meer details over hoe de Schmitt-trigger werkt, kun je daarvoor mijn specifieke tutorial raadplegen.

Een voorbeeld van dit type sensor is de Hall Effect schakelaar. Ze worden vaak gebruikt als eindschakelaars, bijvoorbeeld in 3D-printers en CNC-machines, maar ook voor detectie en positionering in industriële automatiseringssystemen.

Andere hedendaagse toepassingen van deze sensoren zijn het meten van het wiel/rotortoerental of toerental en het bepalen van de positie van de krukas of nokkenas in motorsystemen. Deze sensoren zijn samengesteld uit een Hall-element en een permanente magneet die in de buurt van een getande schijf op de roterende as zijn geplaatst.

De opening tussen de sensor en de tanden van de schijf is erg klein, dus elke keer dat een tand in de buurt van de sensor komt, verandert het omringende magnetische veld waardoor de output van de sensor hoog of laag wordt. De output van de sensor is dus een blokgolfsignaal dat gemakkelijk kan worden gebruikt voor het berekenen van het toerental van de roterende as.