Czujniki magnetyczne w przemyśle motoryzacyjnym

Efekt Halla polega na wytworzeniu się mierzalnej różnicy potencjałów w przewodniku, przez który przepływa prąd elektryczny. Zjawisko to zachodzi w przypadku, kiedy znajdzie się on w zasięgu pola magnetycznego o kierunku poprzecznym w stosunku do kierunku przepływu tego prądu.

Napięcie to pojawia się między płaszczyznami ograniczającymi przewodnik prostopadle do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek prądu i wektor indukcji magnetycznej. Jest ono spowodowane działaniem siły Lorentza na ładunki elektryczne poruszające się w polu magnetycznym.

Od czego zależy napięcie Halla?

Zostało to zobrazowane na rysunku 1. Pokazano na nim, w jaki sposób zewnętrzne pole magnetyczne oddziałuje na ładunki elektryczne przemieszczające się w przewodniku, który znajduje się w zasięgu zewnętrznego pola magnetycznego, w wyniku czego powstaje różnica potencjałów (napięcie Halla).

 

Rys. 1. Efekt Halla polega na powstaniu różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd, znajdującym się w polu magnetycznym

Napięcie Halla (Vh) jest wprost proporcjonalne do natężenia zewnętrznego pola magnetycznego wzdłuż osi z (Bz), gęstości prądu przepływającego przez przewodnik (J), natomiast odwrotnie proporcjonalne do jego grubości (d).

W równaniu opisującym tę zależność uwzględnia się również dodatkowy stały współczynnik (stałą Halla), charakteryzujący efekty nieliniowe.

W związku z tym, że napięcie Halla jest bardzo małe, przeważnie jest ono rzędu zaledwie kilku mikrowoltów, czujniki magnetyczne poza elementem pomiarowym są wyposażane we wzmacniacz operacyjny. Ich dodatkowe komponenty to również m.in. komparatory napięcia, przerzutniki i regulatory napięcia.

Czujniki analogowe...

W zależności od rodzaju sygnału wyjściowego czujniki magnetyczne dzielą się na analogowe (liniowe), w których napięcie wyjściowe zmienia się liniowo wraz ze zmianą natężenia pola magnetycznego i sensory cyfrowe. W tych drugich wyjście może przyjmować jeden z tylko dwóch stanów – załączony (on) albo wyłączony (off).

Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy analogowego czujnika Halla. Element pomiarowy może składać się z jednego albo z większej liczby czujników – przykładowo dwa sensory są wymagane do wykrywania różnicy pól magnetycznych, zaś trzy do wykrywania kierunku albo ruchu. Żeby zwiększyć elastyczność interfejsu wyjściowego, analogowy czujnik Halla przeważnie ma wyjście typu otwarty emiter, otwarty kolektor albo w postaci układu tranzystorów w konfiguracji push-pull, podłączone do wyjścia wzmacniacza różnicowego.

 

Rys. 2. Analogowy czujnik Halla

…i czujniki cyfrowe

Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy cyfrowego czujnika Halla. Zasadnicza różnica pomiędzy tymi dwoma schematami polega na tym, że częścią czujnika z wyjściem cyfrowym jest przerzutnik Schmitta z wbudowaną histerezą podłączony do wzmacniacza operacyjnego.

Gdy strumień magnetyczny oddziałujący na czujnik przekroczy określoną wartość progową, jego wyjście przełącza się ze stanu off na stan on. Dzięki histerezie można wyeliminować oscylacje sygnału wyjściowego przy przełączaniu.

Warto dodać, że niezależnie od konkretnego rodzaju zastosowania, podstawowym wymogiem do prawidłowego działania czujników Halla jest to, aby linie strumienia magnetycznego były zawsze prostopadłe do powierzchni czujnika i miały prawidłową biegunowość.

 

Rys. 3. Cyfrowy czujnik Halla

Czujniki bipolarne i unipolarne

Czujniki z efektem Halla można również podzielić na dwie kolejne kategorie: bipolarne oraz unipolarne. Sensory bipolarne wymagają do działania dodatniego pola magnetycznego (o biegunowości południowej) i ujemnego pola magnetycznego (o biegunowości północnej).

Po wystąpieniu takiego pola zmienia się stan na wyjściu czujnika. Pozostaje ono w nim, aż do momentu pojawienia się pola o biegunowości przeciwnej. Zatem stan na wyjściu w sensorach bipolarnych ulega zatrzaśnięciu.

Stan na wyjściu czujników unipolarnych natomiast zmienia się na niski lub na wysoki, zależnie od rodzaju sensora unipolarnego, wyłącznie na skutek oddziaływania odpowiednio silnego pola magnetycznego o określonej (dodatniej lub ujemnej) biegunowości. Z kolei powrót do stanu wyjściowego następuje zazwyczaj po zaniku tego zewnętrznego pola magnetycznego.

Czujniki magnetyczne – przegląd zastosowań

Czujniki magnetyczne są szeroko stosowane jako czujniki zbliżeniowe, pozycjonujące, prędkości oraz sensory prądu. Z kilku powodów są preferowanym rozwiązaniem w porównaniu na przykład z przełącznikami mechanicznymi.

W zestawieniu z nimi wyróżnia je m.in. dłuższa żywotność, bo nie mają mechanicznych, szybko zużywających się elementów, oraz możliwość pracy w trudnych warunkach, w tym odporność na wibracje, drgania, kurz oraz silne zapylenie. Nie wymagają także konserwacji.

Oprócz tego są czujnikami bezdotykowymi. Dzięki tym zaletom upowszechniają się m.in. w elektronice użytkowej i przede wszystkim w sektorze motoryzacyjnym, ze względu na wysokie wymagania wytrzymałościowe oraz w zakresie jak najdłuższej żywotności, jakie są stawiane podzespołom elektronicznym montowanym w samochodach.

W tym zastosowaniu czujniki te m.in. służą do wykrywania położenia, odległości oraz prędkości. Przykładowo wewnątrz silnika mogą określać położenie wału korbowego, w kabinie pasażerskiej służą do wykrywania położenia siedzeń i pasów bezpieczeństwa, dostarczając informacji układowi aktywowania poduszek powietrznych, zaś na kołach mierzą prędkość obrotową analizowaną w systemie ABS.

Sensory Halla – aplikacje

Sensory położenia mogą m.in. służyć do wykrywania ruchu poślizgowego między magnesem a czujnikiem, przy czym oba elementy muszą być umieszczone w bardzo niewielkiej odległości. Względny ruch pomiędzy magnesem a czujnikiem generuje dodatnie pole magnetyczne, gdy czujnik porusza się w kierunku południowym i ujemne pole magnetyczne, w przypadku gdy czujnik porusza się w kierunku bieguna północnego.

Dostępnych jest kilka metod określania pozycji. Na przykład, gdy aplikacja wymaga informacji tylko o dyskretnej pozycji, można wykorzystać czujniki cyfrowe. Natomiast w aplikacjach wymagających większej precyzji można zastosować sensory liniowe w połączeniu z mikroprocesorem.

Czujniki położenia lub zbliżeniowe mogą być również używane do monitorowania poziomu cieczy, na przykład w urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak pralki lub zmywarki. W takim przypadku stosuje się kilka przełączników Halla w połączeniu z magnesem umieszczonym na pływaku.

Kiedy pływak unosi się lub opada, wewnątrz rurki w zależności od poziomu cieczy aktywowane są kolejne cyfrowe sensory umieszczone na zewnątrz obudowy. Kolejnym przykładem są pomiary prędkości bezszczotkowych silników prądu stałego. W tym przypadku typowo trzy cyfrowe czujniki magnetyczne są umieszczone na stojanie silnika, a magnesy trwałe – na wale wirnika.

Monika Jaworowska