Tartalom:
- Hall szenzor működési elve, mágneses fluxussűrűség, mértékegységek és értelmezésük
- Hall szenzor típusok, védő áramkör a használathoz
- Működés és felhasználhatóság bemutatása videókkal
——————————————————————————-
A Hall szenzorral azért kezdtem el ismerkedni, mert vásároltam egy szélsebességmérőt, amit nagyobb élettartamúra szerettem volna átalakítani. Mint kiderült, egy reed relé adott kontaktus jelet a szélkerék körbe forgása során, aminek az élettartama véges (100 millió kapcsolás). Kiszámoltam, hogy a statisztikákban szereplő átlagos szél esetén a reed relé mechanikus kontaktusainak élettartama 1-2 évig lesz elegendő. Így arra gondoltam, hogy hall szenzorra cserélem a reed relét. Végül is a mágnest beépítették, a forgó mágneses tér már ott van, feltehetőleg csak megfelelően rögzíteni kell a szenzort, ami a reed relénél még kisebb is, tehát be fog férni gond nélkül.
Egy kis elmélet a témához:
A mágneses tér tulajdonsága, hogy egyes testekre vonzó vagy taszító erőhatást fejt ki. A mágneses teret erővonalakkal szoktuk ábrázolni, ahol az erővonalak sűrűsége jellemzi a mágneses tér nagyságát (erősségét) egy adott pontban, illetve egy adott térrészben. Mindenki emlékszik az általános iskolai tankönyvek ábráira, illetve a vasreszelékes kísérletre, ahol a vasreszelék szemcsék az erővonalaknak megfelelően álltak be. Az erővonalak zárt görbék, azaz a görbéknek nincs sem kezdetük (forrásuk), sem végük (elnyelődésük). Bár a vasreszelékes kísérletben úgy látszik, mintha a mágnes egyik végén keletkeznének, a másikon meg végződnénének, de valójában a mágnesben folytatódnak. Utóbbi fontos tulajdonság miatt nincsenek magnetikusan töltött részecskék, mint az elektromosságban, a hol az elektromos töltés részecskék tulajdonsága.
A mágneses erőtér hatással van az árammal átjárt vezetőre, egy árammal átjárt vezetékre forgatónyomaték hat. Így működik a villanymotor. Egy mágneses térben mozgó (forgó) vezetékdarabban pedig elektromos feszültség keletkezik, ez pedig a villanygenerátorok működési elve. Mágneses teret hoz létre, ha egy vezetékben elektromos áram folyik, így vannak olyan villanymotorok, melyek nem tartalmaznak mágneses tulajdonsággal rendelkező anyagot (mágnest). Ezekben a mágneses teret áram hozza létre vezetékből kialakított tekercsekben, és ezek a tekercsek vonzzák vagy taszítják egymást, így létrejön a forgó mozgás. A mágneses mezőt jellemző fizikai mennyiség a mágneses fluxussűrűség, melynek kifejezésére a tesla és gauss mértékegységeket használjuk [1 tesla = 10.000 gauss, másképpen 10 G = 1 mT (1 millitesla).
Ezek a mértékegységek az átlagembernek semmit nem mondanak, de néhány példa gyorsan rávilágít ezek jelentésére. A föld mágneses ereje 0,5 G. Egy átlagos hűtőmágnes 30-200 G körüli. Az iparban használatos mágnesek 1000-5000 G mágneses teret szolgáltatnak. Egy MRI vizsgálat esetén kb. 200.000 G mágneses fluxus sűrűség jön létre. Láthatóan elég széles értékhatárokkal találkozunk.
A mágneses térerősség mérésének lehetősége benne rejlik a mágneses tér által okozott hatásokban. Ha egy vezetékben elektronok áramlanak, akkor mágneses térben ezekre az elektronokra erő hat. Ez az erőhatás az elektronokat valamilyen irányba mozdítja el, így azok egy vezetékdarab egyik felén gyűlnek össze potenciálkülönbséget okozva. Ha pedig összegyűltek, akkor feszültség formájában ez mérhető. Ezt hívják Hall feszültségnek az effektust felfedező Edwin Hall (1855-1936) amerikai fizikus emlékére.
Többféle Hall effektus elvén működő szenzort gyártanak. Megnézegettem néhány adatlapját, mire is képesek:
US1881 – ez egy reteszelő típus, vagyis mágneses tér hatására a kimenete aktívra vált, és úgy is marad, a mágneses tér megszűnése után is. A kimenet akkor kerül újra alap állapotba, ha ellentétes irányú mágneses hatás éri. Egyszerűbben fogalmazva: a mágnes északi pólusa bekapcsolja, a déli meg ki. Egy ábra a működésről:
Az érzékenysége 5mT (50G) körüli (tipikus érték). AZ adatlap szerint a gyakorlatban az egyes példányokon 1-9mT közötti értékek körül szór az a térerősség határ, ahol a szenzor kapcsolni fog. Látható, hogy egy hűtőmágnesre biztosan reagálni fog. A kimenet nyitott kollektoros, tehát a 0V az aktív, és kell egy 10K körüli felhúzó ellenállás a kimenet és a tápfesz közé.
US5881 – nem reteszelő típus. Vagyis a mágneses tér erősségétől függ a kimenet állapota. Van egy jól meghatározott hiszterézis a ki és bekapcsolási pontok között. 25G-nél aktív lesz a kimenet, 20G-nél pedig kikapcsol. Ezek az értékek is jelentős szórást mutatnak az egyes példányokon, az adatlap 15G és 30G közötti értéket ad meg bekapcsolási pontnak. A kimenet itt is nyitott kollektoros, tehát kell egy felhúzó ellenállás. Hűtőmágnesre ez a típus is reagálni fog.
A344X sorozat – Gyakorlatilag ugyanaz mint az US5881, azonban négyféle érzékenységben kapható.
- A3441 – 100G bakapcsolási 45G kikapcsolási pont
- A3442 – 180G bakapcsolási 125G kikapcsolási pont
- A3443 – 280G bekapcsolási és 225G kikapcsolási ponttal
- A3444 – ennél a változatnál nem adnak meg tipikus értéket, 75G-350G között valahol bekapcsol, és 75G-350G között valahol kikapcsol. Szerintem ezek a válogatás nélküli „ahogy sikerült” darabok. Ez az elérhető legolcsóbb típus, 10db kb. 300-400Ft szállítással kínai barátainknál.
Minden adatlapon vannak figyelmeztetések arra vonatkozóan, hogy a fordított polaritásra érzékenyek a szenzorok. Úgy tűnik ezt komolyan kell venni. Első körben az US1881-et szereztem be, és azzal kísérletezgettem. Semmilyen védelemmel nem láttam el a szenzort. Pár óra alatt végeztem a kísérletekkel (eredmények mindjárt), és elégedetten beépítettem (beragasztottam) a szélkerékbe a szenzort. Majd véletlenül fordítva kötöttem be. Azonnal tönkrement. Most kezdem kivagdosni a ragasztóból, és beépíteni egy újat. Azonban immár okosabb leszek, és megépítem az adatlapon javasolt védelmet, ami nem bonyolult:
Ahogy kivettem a leírásból, lényegileg a D1 soros védődióda és egy R1 100 ohm-os áramkorlátozó ellenállás a fontos. Ezt 5V tápfeszre ajánlja az adatlap, nekem pont ez fog kelleni. A Z1 zéner diódát azért tették bele, mert zajos környezetben és hosszú vezetékeken nagyobb zavarjelet is kaphatna mint a maximális 24V. Tehát oda érdemes 5V tápfesz esetén egy 7-18V-os zéner-t tenni, ami éppen van a dobozban. Sajnos első kísérletemnél a C1 kondit is kifelejtettem, pedig azt is kifejezetten említik mint bypass kondenzátort. Ennek szerepe a nagyfrekvenciás zavarok eltüntetése, valamint a soros D1 dióda miatti átmeneti tápellátás megszűnés áthidalása. Ha valamilyen nagy zavarjel kerül a vezetékre esetleg a D1 dióda lezár, és rövid időre tápfesz nélkül maradhatna a szenzor. Ezért ezt a kondenzátort lehetőleg a chip közvetlen közelében kell elhelyezni.
És következzenek végre a tapasztalatok. Először is rossz típust rendeltem egy félreértés miatt. Nekem nem reteszelő típus kellett volna. Azonban tapasztalat gyűjtésre ez is elég. Két hűtőmágnest szedtem elő. Az egyik egy parafalap hátoldalára került. Annyira gyenge, hogy szinte lefújja a szél a hűtőről. Valamilyen nagyon lágy műanyagszerű anyagból készült, még hajlik is. A másik egy fémből készült díszes fáraó fejet tart, nagyot cuppan, amikor a hűtő fém ajtaja közelébe kerül. Ez egy nehéz, rideg vas mágnes. Arra számítottam, hogy lesz különbség az érzékelési távolságban, de nem volt lényegi különbség. Azt gyorsan kiderítettem, hogy a mágnesek szélein mozgatva a szenzort hol ki, hol bekapcsol a kimenet. Nyilván itt fordul a mágneses tér, vagyis a hűtőmágnes lap szélein kellene a szenzort mozgatni hol mágnes lap síkjának egyik oldalára, hol a másikra, de már a széleken is kapcsolgatott a szenzor. Az alábbi képen pont ott tartom a szenzort, ahol a fél centis mozgatással ki be kapcsolgat:
Meglepő módon a gyengébb hűtőmágnes belső felületén is történt kapcsolgatás, ez a mellékelt videón látszani fog. A mágnesekhez közelítve kb. 2-3 mm távolságban kapcsolódott a kimenet, pedig az egyik mágnes sokkal erősebb. Ez számomra azt jelenti, hogy forgómozgás érzékelésekor a forgó mágneshez nagyon közel kell tenni a szenzort. A szélsebesség mérőnél a szerkezetet nem sikerült (nem mertem) szétszedni, ott egy olyan műanyag laphoz szorítottam a szenzort, amitől még 2-3 mm-re lehetett a forgó mágnes, de szerencsére működött. Ettől a laptól 1-2 mm-re már nem érzékelt, tehát nagyon a „határon” sikerült elhelyezni. Úgy tapasztaltam, a szenzor mindkét fele azonosan érzékeny, nem számított, hogyan tartom a mágnes közelében. Még akkor is ugyanúgy működött, amikor élével raktam a mágneshez. Végül a szélsebesség mérőbe fejjel lefelé szereltem be, vagyis a szenzor felső éle támaszkodott a műanyag lapnak, ami mögött a mágnes forgott. Sajnos a mágnest nem lehetett látni, így nem tudom, hogyan is néz ki a forgó mágnes, és mely része végzi el az átkapcsolást. A reed relét pontosan középen helyezték el, ebből arra következtettem, hogy egy hosszú mágnes lehetett, ami hol keresztben, hol párhuzamosan áll a reed relé mágneses kontaktusaival forgás közben.
Az alábbi videón a gyengébb rugalmas mágneslemez feletti mozgatás eredménye látható. Alól a pici piros led-et kell figyelni:
Ez a videó pedig a rideg, és jóval erősebb mágnes hatásait mutatja be. A videó készítésekor nem húztam végig a szenzort a mágnes teljes felületén, de el kell hinnetek, hogy ott tényleg nem történt semmi, csak a széleken.
A videókon látható LED-et kapcsolgató program egy teljes lényegi sorból áll. A loop()-ban minden egyes ciklusban levizsgáltam a hall szenzor kimenetének állapotát, és ettől függően ki vagy bekapcsoltam a LED-et. Szerzői jogi okokból most nem teszem közzé.