A Hall-jeladó: Az autó rejtett, de létfontosságú érzékelője
Pici dobozkának tűnik a motortérben, általában fogalma sincs a vezetőnek, hogy napi szinten használja ezt az eszközt, pedig az autója be sem indulna nélküle. A Hall jeladó egy körülbelül 2×2 centiméteres alkatrész, amely nélkül nem működne az autó. Fura neve van, nem aranyhalakra szerelt GPS nyomkövető, sokkal inkább egy kábé 2×2 centis dobozka, ami nélkül nagyon nem indul be a kocsid. Eláruljuk, hogy mit érdemes tudni erről a kis eszközről, továbbá az is kiderül, hogy kiről kapta a nevét, milyen célból használják és az is, hogy mi történik akkor, ha a jeladóra tápfeszültséget helyezünk.
A Hall-effektus elméleti háttere
A kis eszköz Edwin Hall amerikai fizikusról kapta a nevét. Pontosabban lényegében az általa 1879-ben felfedezett jelenségről, az úgynevezett Hall-effektusról. Az egész alapja a Hall-effektus, mely Edwin Hall amerikai fizikus nevét őrzi. Érdekesség, hogy már jóval a felfedezés előtt, 1861 és 1862 között James Clerk Maxwell előállt egy olyan tanulmánnyal, amely forradalmasította az elektromágnesességről akkor ismert tanokat. Ez volt az On physical lines of force, melyet négy részletben publikáltak. Miközben Maxwell az elmélet matematikáján dolgozott, számos tudós tanulmányozta az elméletet.
Mi az a Hall-effektus?
Az effektus a definíció szerint a következő: ha egy vezetőben vagy egy félvezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor az áramot hordozó részecskékre (fémeknél ez elektron) ún. Lorentz-erő hat, ami azzal jár, hogy a vezető két oldalán potenciálkülönbség lesz. Ha egyszerűen szeretnénk leírni a jelenséget, akkor a Hall-effektusnak, az a lényege, hogy ha egy vezető vagy félvezető anyagba áramot vezetünk, az áram irányára merőlegesen pedig egy mágneses térbe is belehelyezzük, akkor az áthaladó elektronok az egyik irányba kitérnek. Röviden az a lényege, hogy ha áramot vezetünk egy széles vagy félvezető anyagba, valamint mágneses térbe helyezzük azt az áram irányára merőlegesen, akkor egyik irányba térnek ki az elektronok. Felmerülhet a kérdés, hogy mi határozza meg az irányt? Nos, nem más, mint a mágneses mező és az áram iránya. Ez azért hasznos, mert Hall-feszültség keletkezik amiatt, mert az anyag egyik oldalán kevesebb elektron van, mint a másikon. A lényege, hogy ha egy széles vezető vagy félvezető anyagba áramot vezetünk, az áram irányára merőlegesen pedig mágneses térbe is helyezzük (azaz két mágnes közé), akkor az áthaladó elektronok az egyik irányba kitérnek.
A Hall-jeladó működése
Mit jelent ez a gyakorlatban? Azt jelenti, hogy ha a Hall jeladóra tápfeszültséget helyezünk, akkor folyni kezd benne az áram. Ha a jeladó feszültséget kap (például 12 voltot), áram fog benne folyni. A gyakorlatban mindez azt jelenti, hogy ha a jeladóra 5 vagy 12 volt tápfeszültséget kapcsolunk, akkor elkezd folyni benne az áram. Ha eközben elkezdünk mozgatni előtte egy mágnest, akkor a másik két vezetéken (tehát nem azon, amelyen a rákapcsolt áram folyik), a mágnes közelségétől függően feszültséget mérhetünk.
A Hall-effektus érzékelő akkor működik igazán jól, ha kimagasló az elektronmobilitása. Noha ezek az anyagok nem feltétlenül tartoznak az alacsony áron beszerezhetők közé, egy eszközhöz minimális mennyiség szükséges belőlük. A Hall szenzor kimeneti jele az érzékelő felülete és a mágneses tér eredő vektora közötti szög szinuszértékétől függően változik. A maximális jel akkor érhető el, ha a mágneses mező vonalai merőlegesek az érzékelő felületére, és a legkisebb, ha párhuzamosak vele.
Hall kapcsolók
A Hall - vagy időnként hallotron névvel is illetett - szenzorok népszerűségét az érzékelő, a kondicionáló rendszer, a Schmitt-trigger és a kimeneti erősítők egyetlen házba történő integrálása hozta meg, amely lehetővé tette, hogy ezen rendszereket mágneses tér detektorként lehessen használni az iparban. A leggyakoribb alkalmazásainak többségében a Hall érzékelőket kontaktus nélküli kapcsolóként használják. Az ebben a funkcióban használt Hall szenzorok túlnyomórészt 3-lábas tokozásokkal fordulnak elő, melyek tartalmazzák a jel-kondicionálási komplett áramköröket, kétállapotú kimenettel együtt. Ez tehát nem is annyira érzékelő, mint inkább Hall kapcsoló. A fent felsoroltak a leggyakoribb szenzorformák a Hall-jeladók esetén.
Hall-jeladók alkalmazása az autókban
Apróság, mely számos funkciót elérhetővé és egyszerűbbé tett a világon a műszaki élet számos területén. A személygépkocsikban történő alkalmazás is ugyanezen az elven alapszik. Mivel a járművekben viszonylag sok a mozgó alkatrész, számos helyen találkozhatunk Hall-szenzorral. Az autókban meglehetősen sok helyen alkalmazzák a Hall-jeladókat.
Konkrét példák a gépjárművekben
- A Hall jeladókat számos helyen alkalmazzák a járművekben, például az ABS szenzorokban, a vezérműtengelynél, valamint a főtengelynél.
- Hall-érzékelőket használnak még egyes gépjárművek üzemanyagszint-jelzőiben is.
GY.I.K. - főtengely jeladó hiba
Forgómozgás érzékelése
A legegyszerűbb gyakorlati megvalósításoknál forgómozgást figyel meg az érzékelő, így általában egy kerek tárcsa található a szenzor előtt, kisméretű mágnesekkel. A jeladók előtt általában mozog egy kerék, amin nagyon apró, észak-dél és dél-észak mágnesek találhatóak. A kerék forgása miatt a jeladó kábelén váltakozik a feszültség. A váltakozás gyorsasága a kerék forgásának gyorsaságától függ. Általában egy kerék forog előtte, amin felváltva vannak az észak-dél és a dél-észak mágnesek, egészen aprók. Ahogy ez a Hall-jeladó előtt forog, a jeladó jelkábelén váltakozik a feszültség, olyan gyorsan, amilyen gyorsan a kerék forog.
A gyújtásjeladó
Kicsit már kialakításban, de szintén Hall-jeladó látja el a gyújtásjeladó szerepét. A gyújtásjeladónál másképp történik a folyamat. Ebben az esetben a mágnes fix pozícióban van és előtte forog egy olyan lemez, mely több helyen ki van vágva. Így tudja leárnyékolni a mágneses mezőt. Természetesen ennek a változatnak a felépítése és egyben a gyártása is egyszerűbb a mágneses kerekekhez képest. Emiatt használják a gépjárművek gyújtásrendszereiben. A gyújtásjeladónál viszont más a helyzet, ott a mágnes egy fix pozícióban van, és egy több helyen kivágott lemez forog előtte, ami leárnyékolja a mágneses mezőt.
Hall-jeladó diagnosztika és tesztelése
A Hall jeladó diagnosztikájához először ellenőrizni kell, hogy megkapja-e a szükséges feszültséget. Ezt követően meg kell mérni lehúzott stekkerrel, hogy a testpont és az akku negatív saruja között lévő ellenállás nem-e túl magas. A testpont és az akku negatív saruja közötti ellenállás nem túl magas. Ha az első két lépés során kiderült, hogy minden rendben van, akkor a csatlakozót vissza kell dugni a helyére és be kell szúrni a mérőtüskét. Ezután működés közben oszcilloszkóppal meg kell mérni, hogy jól váltakozik-e a feszültség a kábelen a testhez viszonyítva. A multiméter ellenállás-mérőjét nagyon gyorsan el kell felejteni, akár könnyen-gyorsan tönkre is teheti a szenzort.
Hall kapcsolók tesztelése
Egy ilyen áramkört könnyen leellenőrizhetünk, ha ismerjük a típusát. Ha egy beazonosítatlan darabbal van dolgunk, akkor ahhoz, hogy leellenőrizhessük a működését, legalább minimális ismeretekkel kell rendelkeznünk arról, miként működik egy Hall érzékelő. Az érzékelő működéséhez elegendő ismernünk a Hall jelenséget valamint szükségünk lesz egy tápegységre vagy szárazelemre és egy erős mágnesre. Először pozitív feszültséget adunk az 1. lábra. Második lépésben a tápegység negatív pólusát csatlakoztatjuk a 2. lábra.
A tápfeszültség értéke megbecsülhető a Hall kapcsoló applikációja alapján. A hordozható eszközökhöz tervezett miniatűr tokozású kapcsolók tápfeszültsége 3 V körüli érték. Az ipari felhasználásra szánt nagyobbak feszültsége 5 és 12 V között mozog. Miután a tápfeszültséget ráadtuk a Hall-érzékelő szabad lába és a test közé, bekapcsoljuk a voltmérőt. Most pedig, egy erős mágnes valamelyik pólusával derékszögben közelítünk az érzékelőhöz. Ekkor - vagy az "S" vagy "N" pólus közelítésekor - az érzékelő/kapcsoló típusától függően a kimenet feszültségének ugrásszerűen meg kell változnia. Bipoláris kapcsoló esetén ezt a hatást a mágnes egyik pólusának közelítésével/távolításával, forgatásával (vagyis a polaritás megváltoztatásával), majd újbóli közelítéssel/ távolítással érjük el. Ha a feszültség a vártnak megfelelően ingadozik, akkor a Hall kapcsoló valószínűleg megfelelően működik és használatra kész.
Hall-jeladó kiválasztása és beépítése
Fontos továbbá, hogy megfelelő Hall kapcsolót válasszunk a mágneshez vagy a kapcsoló mágneséhez. Bár a modern Hall szenzorok nagyon széles hőmérsékleti tartományban működnek, ez erősen befolyásolhatja a paramétereit. Amikor Hall-kapcsolót választunk egy alkalmazáshoz, érdemes figyelni arra a környezeti hőmérsékleti tartományra, amelyben az használható. Érdemes figyelni a terhelési áram korlátozására is. Nem minden Hall-kapcsoló alkalmas relé vagy jelzőlámpa aktiválására. Egyes Hall kapcsolók alacsony terhelésű kimenettel rendelkeznek, amely alkalmas CMOS vagy TTL chip bemenetének táplálására. Az érzékelő tokozását és annak fajtáját az alkalmazási körülményekhez illesztve kell megválasztani. A TO-92 -es Hall érzékelő tokozásának anyaga jellemzően elég érzékeny, könnyen megsérülhet.
Lábkiosztás és mágneses aktiválás
A TO-92 vagy TO-92UA típusú, 3-végződéses tokozással szerelt Hall kapcsolók többségének lábkivezetései az alábbi séma szerint vannak elrendezve: 1 - Vdd, 2 - test, 3 - kimenet. Ezek számozása ugyanolyan, mint a tranzisztor esetében. Megfelelő intenzitású, északi vagy déli polaritású mágneses mezőre van szükség a kapcsoló kimeneti állapotának megváltoztatásához. Ha egy érzékelő egy ilyen mezőbe kerül, akkor az érzékelő kimenete megváltozik és addig úgy marad, amíg ellentétes polaritási mezőbe nem kerül. Ennek a kapcsolónak a kimenetét egy megfelelően erős pozitív mágneses mező ("S" pólus) aktiválja. A kimenet inaktiválódik, ha ez a mező eltűnik (a kapcsolási küszöbérték alatt van). Ennek a kapcsolónak a kimenetét egy megfelelően erős negatív mágneses mező ("N" pólus) aktiválja.
tags: #hall #jelado #opel #co #információ