Sensores - conversores de uma grandeza física para outra (geralmente, para elétrica) são amplamente utilizados em equipamentos domésticos e industriais. Sem eles, é muito difícil, senão impossível, medir, digitalizar e processar parâmetros tecnológicos como pressão e vazão (gás ou líquido), temperatura, nível, intensidade do campo magnético ou elétrico, etc. Um dos sensores mais utilizados é o sensor Hall - eles são usados tanto na vida cotidiana (começando com smartphones ou laptops) quanto na tecnologia industrial mais complexa.
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Efeito Hall - princípio de funcionamento
Este efeito foi descoberto em 1879 pelo físico americano Edwin Hall e recebeu o seu nome.A essência do fenômeno é que se você pegar uma placa de metal e passar uma corrente elétrica através dela (na direção AB na figura), e então agir na placa com um campo magnético, por exemplo, criado por um ímã permanente, então na direção perpendicular à passagem da corrente (CD na figura ), haverá uma diferença de potencial.
Este efeito ocorre devido à força de Lorentz agindo sobre cargas em movimento e deslocando-as em uma direção perpendicular à direção do movimento. Como resultado, surge uma diferença de potencial nas bordas da placa, que pode ser medida ou usada para acionar atuadores (pré-amplificação). Essa diferença depende:
- da força da corrente que flui;
- da força do campo magnético;
- na concentração de portadores de carga livre no condutor.
O fenômeno recebeu o nome de seu descobridor - o efeito Hall.
Tipos e disposição dos sensores Hall
O efeito, descoberto no século retrasado, encontrou aplicação prática. Com base nele, são construídos sensores de campo magnético. Sua vantagem é que eles não possuem elementos móveis e de atrito (ao contrário dos reed switches), portanto sua confiabilidade é muito maior. De acordo com o princípio da sensibilidade sensores industriais Os salões são divididos em:
- unipolar (reage apenas a um pólo magnético - norte ou sul);
- bipolar (liga quando exposto a um campo magnético de uma polaridade, desliga quando exposto a um campo magnético de polaridade oposta);
- omnipolar - reage a quaisquer pólos de ímãs.
A diferença de potencial criada pela ação de um campo magnético sobre cargas em movimento é de unidades, no máximo dezenas de microvolts. Para aplicação prática, isso não é suficiente, a diferença de potencial deve ser aumentada. Esses amplificadores são embutidos diretamente no corpo dos sensores e, de acordo com o tipo de amplificador, os dispositivos são divididos em duas classes.
- Analógico. Neles, a tensão na saída do sensor é proporcional ao campo magnético (depende da força do ímã e da distância dele). Construídos com base em um amplificador operacional e são usados para medir campos magnéticos.
- Digital. Após a instalação do amplificador comparador ou gatilho Schmitt. A tensão de saída, quando a indução magnética atinge um certo limite, salta de zero para um nível alto (geralmente para o nível de tensão de alimentação). Esses sensores são usados para construir relés magnéticos ou geradores de pulso. O sinal amplificado da placa é aplicado ao dispositivo de limiar. Quando o nível definido é atingido, o sensor é acionado. O nível de disparo pode ser ajustado alterando a distância do sensor à fonte do campo magnético.
Aplicação de sensores Hall
A aplicação mais comum do sensor Hall na vida cotidiana são os sistemas de ignição de carros sem contato. Sua vantagem é a ausência de grupos de contato mecânicos. Isso significa sem desgaste, sem queima de contatos, sem risco de falha mecânica.
O sistema de distribuição inclui uma placa com saliências acionadas pelo virabrequim do motor, um ímã permanente e o próprio sensor Hall. Quando a placa gira, as saliências em um momento estritamente definido, determinado pela posição do virabrequim, caem no espaço entre o sensor e o ímã, alterando os parâmetros do campo magnético.O sensor gera pulsos sincronizados com a rotação do virabrequim, que regulam a alimentação de tensão para a bobina de alta tensão nos pontos de tempo necessários. Além disso, sensores de campo magnético no carro são usados para reconhecer a posição do virabrequim.
Outro uso de sensores magneticamente sensíveis é determinar a posição dos rotores de motores elétricos. O elemento do relé é montado no estator do motor e é acionado quando o polo passa. Neste princípio, você pode construir um conta-rotações ou um medidor de velocidade.
Dispositivos construídos no efeito Hall são usados em laptops ou dispositivos móveis - como um indicador da posição fechada da tampa. Quando o sensor é acionado, o computador entra em suspensão ou desliga. E nos smartphones, uma das funções do sensor que responde ao campo magnético da Terra é a organização da bússola eletrônica.
Os sensores analógicos Hall são usados em instrumentos de medição - onde é necessário avaliar o nível do campo magnético. Eles são indispensáveis para a medição sem contato da força da corrente em um condutor. Como você sabe, quando a corrente passa por um condutor, um campo magnético surge ao redor dele. Sua intensidade depende da força da corrente. Se a corrente for alternada, o campo pode ser medido de outras maneiras (por exemplo, com um transformador de corrente), mas com corrente contínua, um sensor Hall é indispensável. Os grampos de corrente CC funcionam com base neste princípio.
A aplicação mais exótica do efeito Hall é a construção de motores de foguete de íons em seu princípio.
Como verificar o desempenho do sensor Hall
Para verificar o sensor, você pode montar um circuito simples, para o qual, além do próprio sensor, você precisará:
- fonte de alimentação para a tensão desejada;
- resistor com uma resistência de cerca de 1 kOhm;
- Diodo emissor de luz;
- magnético.
Se não houver LED, em vez dele (e do resistor limitador de corrente), você pode use um multímetro (digital ou ponteiro) no modo de medição de tensão.
Não há requisitos especiais para a fonte de alimentação - as correntes no circuito são muito pequenas. Sua tensão deve estar dentro da tensão de alimentação do sensor em teste. O LED é conectado com o ânodo ao positivo da fonte de tensão, o cátodo à saída do dispositivo em teste, já que o sensor geralmente é feito com coletor aberto (mas é melhor verificar no datasheet).
O procedimento de teste depende do tipo de dispositivo em teste.
- Para testar um sensor digital unipolar, você precisa trazer um ímã com um pólo. O LED deve acender (a seta do voltímetro indicador se desvia ou as leituras do testador digital mudam abruptamente). Quando o ímã é removido a uma distância considerável, o circuito deve retornar à sua posição original. Se o sensor não funcionar, é necessário virar o imã com o outro polo e repetir o procedimento. Se o LED piscar, o sensor está funcionando. Se o sucesso não for alcançado em nenhuma posição do ímã, o dispositivo fica inutilizável.
- Um sensor digital bipolar é testado usando uma técnica semelhante, apenas o LED acende em uma posição do ímã e não se apaga quando a fonte do campo magnético é removida. O circuito não deve reagir a outras manipulações com o mesmo pólo. Se você virar o ímã e trazê-lo para o sensor na polaridade oposta, o LED deve desligar. Isso indica a integridade do dispositivo em teste.Se o circuito não funcionar, o sensor está com defeito.
- Um sensor Hall digital omnipolar é testado da mesma forma que um unipolar, mas o dispositivo magneticamente sensível deve funcionar em qualquer posição do ímã.
Os sensores analógicos são verificados da mesma forma que os digitais, mas a tensão de saída não deve mudar abruptamente, mas suavemente à medida que a força magnética aumenta (por exemplo, um ímã permanente se aproxima ou um aumento na corrente no enrolamento do eletroímã).
Do ponto de vista prático, a questão de como verificar o sensor Hall instalado no sistema de ignição sem contato de um carro é interessante. Para isso, retire o conector do sensor e monte o circuito indicado diretamente nos pinos.
Aqui você também pode substituir o LED por um multímetro. Girando o virabrequim do carro manualmente, você pode observar flashes periódicos do LED ou mudanças na tensão de saída de zero a aproximadamente a tensão do sistema elétrico do carro. Uma maneira alternativa de verificar em uma garagem é substituir temporariamente o dispositivo por um sensor sobressalente em bom estado.
O sensor Hall encontrou ampla aplicação em equipamentos domésticos e industriais. Não é difícil verificá-lo quanto à manutenção se houver uma compreensão do princípio de sua operação.
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