Czujnik Halla - co to jest, jak działa i gdzie się go stosuje?

Co to jest czujnik Halla?

Czujnik Halla, często nazywany również hallotronem, to sensor pola magnetycznego i prądu. Jego działanie opiera się na zjawisku Halla (zwanym też efektem Halla), odkrytym w 1879 roku przez amerykańskiego fizyka Edwina Halla.

Zjawisko Halla polega na tym, że w przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny, umieszczonym w poprzecznym polu magnetycznym, powstaje różnica potencjałów - napięcie Halla. Dzieje się tak, ponieważ siła Lorentza działa na poruszające się ładunki, odpychając je w kierunku jednej z krawędzi przewodnika. W rezultacie po jednej stronie gromadzą się ładunki dodatnie, a po drugiej ujemne, tworząc mierzalne napięcie.

Czujniki Halla są zazwyczaj wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak antymonek indu (InSb), arsenek indu (InAs), tellurek rtęci (HgTe), krzem (Si) czy arsenek galu (GaAs). Te materiały charakteryzują się dużą ruchliwością nośników ładunku i wysoką stałą hallotronu, co pozwala na uzyskanie łatwo mierzalnego napięcia Halla nawet przy niewielkim prądzie sterującym.

Istnieją dwa główne typy czujników Halla:

• urządzenia z wyjściami liniowymi (analogowymi) - generują ciągłe napięcie wyjściowe, które jest wprost proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego - im silniejsze pole, tym wyższe napięcie;
• urządzenia z wyjściami cyfrowymi - posiadają wbudowany wyzwalacz Schmitta, który przełącza sygnał wyjściowy między stanem "wyłączonym" a "włączonym", gdy strumień magnetyczny przekroczy określony próg. Wbudowana histereza eliminuje oscylacje sygnału.

Czujniki Halla mają najczęściej kształt prostokątnej płytki półprzewodnikowej z czterema elektrodami - dwiema zasilającymi (prądowymi) i dwiema pomiarowymi (napięciowymi). Mogą przyjmować również kształty krzyżowe lub diamentowe, aby minimalizować efekty zwarciowe.

Jak działa czujnik Halla?

Czujnik Halla działa na zasadzie wykrywania obecności i natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Kiedy przez cienki kawałek materiału półprzewodnikowego w czujniku przepływa stały prąd elektryczny, a urządzenie znajdzie się w polu magnetycznym prostopadłym do kierunku przepływu prądu, elektrony w materiale zostają odchylone. To odchylenie powoduje nagromadzenie ładunków po jednej stronie półprzewodnika, co prowadzi do powstania mierzalnego napięcia (napięcia Halla) na elektrodach pomiarowych, prostopadle do kierunku prądu i pola magnetycznego.

W praktyce czujnik Halla może być wyposażony w wirującą przesłonę z oknami, która przecina pole magnetyczne. Gdy przesłona znajduje się w szczelinie, pole magnetyczne nie działa na element Halla, a napięcie zanika. Gdy przesłona jest poza szczeliną, pole działa i pojawia się napięcie. W ten sposób generowane są impulsy o przebiegu prostokątnym, używane na przykład w układach zapłonowych.

Sygnał wyjściowy z czujnika Halla reprezentuje gęstość strumienia pola magnetycznego wokół urządzenia. Czujniki te mają ustawiony próg, po przekroczeniu którego generują sygnał wyjściowy. Napięcie wyjściowe Halla jest wprost proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, choć często jest bardzo małe, rzędu mikrowoltów. Dlatego wiele urządzeń z efektem Halla zawiera wbudowane wzmacniacze prądu stałego, obwody przełączające logikę i regulatory napięcia, aby zwiększyć czułość i skuteczność.

Czujniki Halla mogą pracować w różnych trybach przełączania:

• tryb bipolarny - wymaga silnego pola magnetycznego o biegunowości północnej i południowej do przełączania stanów, które są utrzymywane aż do pojawienia się pola o przeciwnej biegunowości;
• tryb unipolarny dodatni/ujemny - zmienia stan tylko na skutek oddziaływania silnego pola magnetycznego o ustalonej biegunowości (dodatniej lub ujemnej). Powrót do stanu wyjściowego następuje zazwyczaj po zaniku tego pola.

Dzięki swojej zasadzie działania, czujniki Halla są szczególnie przydatne do pomiaru obecności, położenia i bliskości obiektów, ponieważ są aktywowane przez obecność zewnętrznego pola magnetycznego. Mogą wykrywać, kiedy obiekt zbliża się lub oddala, na podstawie zmian natężenia pola magnetycznego. Ruch magnesu względem czujnika może być czołowy (prostopadły do czujnika) lub boczny (równoległy do powierzchni czujnika), co pozwala na różnorodne zastosowania, np. liczenie obrotów.

Zastosowania czujnika Halla w elektronice i motoryzacji

Hallotrony mają szeroki zakres zastosowań, zarówno w elektronice użytkowej, jak i w przemyśle oraz motoryzacji. Ich zalety to m.in. bezkontaktowy pomiar, trwałość oraz odporność na trudne warunki.

W motoryzacji, czujnik Halla jest montowany w niemal każdym samochodzie i pełni wiele funkcji pomiarowych i wspomagających. Początkowo był stosowany do wyzwalania impulsów elektrycznych w bezstykowych układach zapłonowych, zastępując awaryjne przerywacze. Określa kąt zwarcia, zapewniając stałe parametry przez cały okres eksploatacji.

Jest kluczowy dla określania położenia i pomiaru prędkości obrotowej wałka rozrządu i wału korbowego. Współpraca tych czujników pozwala precyzyjnie określić górne, martwe położenie pierwszego cylindra, co jest niezbędne w realizacji sekwencji wtrysku paliwa, sterowania zaworem elektromagnetycznym we wtryskiwaczach oraz do zapobiegania spalaniu stukowemu.

W układach ABS, ASR i kontroli trakcji hallotron mierzy prędkość obrotową kół, wykrywając ich zablokowanie podczas hamowania i wysyłając sygnał do jednostki sterującej ABS. W przeciwieństwie do czujników indukcyjnych, hallotrony precyzyjnie mierzą prędkość kół nawet przy minimalnych prędkościach, co zwiększa precyzję działania systemów bezpieczeństwa. Są też mało wrażliwe na wielkość szczeliny powietrznej. Czujniki Halla działają także w systemach wspomagających ruszanie pod górę - Hill Holder. W układzie ABS rozpoznają kierunek ruchu koła, co jest w tego typu systemach wykorzystywane.

Hallotrony realizują w pojazdach również inne pomiary. Są stosowane do pomiaru kątów pochylenia wzdłużnego nadwozia (dla poziomowania reflektorów), otwarcia przepustnicy, położenia kierownicy, położenia pedału gazu oraz poziomu otwarcia szyb samochodowych. Wykorzystuje się je także do pomiaru natężenia prądu i przyspieszenia.
W automatycznych skrzyniach biegów (TCM) wspomagają moduł TCM w sterowaniu ich pracą, w tym w ustalaniu momentu zmiany biegu. Obsługują też wskaźniki poziomu paliwa - magnes przymocowany do pływaka w zbiorniku paliwa oddziałuje na czujnik Halla, a zmiany napięcia wskazują poziom paliwa.

Czujniki Halla odgrywają istotną rolę również w elektronice konsumenckiej i w innych zastosowaniach. W smartfonach, tabletach i laptopach pełnią funkcję czujnika zbliżeniowego, wyłączając ekran telefonu podczas rozmowy lub po zamknięciu magnetycznego etui. W laptopach wykrywają domknięcie klapy, wygaszając ekran lub wylogowując użytkownika. W aparatach cyfrowych, telefonach z klapką, czy „sliderach” wykrywają wysunięcie bodź otwarcie ekranu lub klawiatury.

Czujnik Halla w telefonie i laptopie – niewidzialny strażnik energii

Dlaczego ekran smartfona automatycznie gaśnie, gdy zamyka się etui, albo dlaczego laptop przechodzi w stan uśpienia po zamknięciu pokrywy? Za tymi wygodnymi funkcjami stoi niewielki element elektroniczny – czujnik Halla. Ale jak dokładnie to działa?

Gdy wykryje obecność pola magnetycznego, jest w stanie ustalić położenie obiektów, takich jak etui telefonu czy pokrywy laptopa. Dzięki temu, że jest niezwykle mały, łatwy i tani w produkcji oraz niewrażliwy na duże zmiany temperatury, idealnie sprawdza się w urządzeniach mobilnych.

Działanie czujnika Halla w telefonie i tablecie

Czujnik Halla w telefonie jest kluczowym elementem, o którego istnieniu niewiele osób wie. Jest on wykorzystywany do wygaszania i wybudzania ekranu, a nawet całego urządzenia. Działa najczęściej w połączeniu z magnetycznym etui na smartfon lub tablet.

Kiedy zamyka się klapkę etui, wbudowany w nią magnes przesuwa się w kierunku czujnika Halla. Pole magnetyczne generuje napięcie Halla, które po osiągnięciu określonego progu (dzięki wbudowanemu wzmacniaczowi i układowi progowemu) informuje urządzenie o zamknięciu klapki. W efekcie ekran może zostać automatycznie wyłączony, co jest nie tylko wygodne, ale także znacząco przedłuża żywotność baterii.

Praca czujnika Halla w laptopie

W laptopie czujnik Halla również może chronić urządzenie przed rozładowaniem, wprowadzając je w stan uśpienia po zamknięciu pokrywy. Współczesne laptopy wykorzystują ten sensor do wykrywania, kiedy wyświetlacz LCD jest zamknięty.

Czujnik Halla w laptopie zazwyczaj znajduje się w podpórce dłoni oraz w pokrywie komputera. Gdy pokrywa jest zamykana, umieszczony w niej magnes zbliża się do czujnika Halla, aktywując go.

Głównym celem czujnika Halla jest wyłączenie wewnętrznego wyświetlacza LCD. Bez niego, ekran nie wyłączyłby się po zamknięciu, co prowadziłoby do niepotrzebnego nagrzewania urządzenia i większego zużycia energii. Wymagałoby też np. ręcznego przełączania w tryb hibernacji.

Warto dodać, że czujnik Halla różni się od innych sensorów w telefonie, takich jak czujnik zbliżeniowy (wyłączający ekran podczas rozmów za pomocą podczerwieni) czy magnetometr (działający jak kompas). Czujnik Halla bazuje wyłącznie na polu magnetycznym.

Zapewniają precyzyjne sterowanie dysków twardych i bezszczotkowych silników elektrycznych. W projektorach realizują śledzenie położenia koła filtrów, a w kompasach elektrycznych stanowią czujniki bardzo słabych pól magnetycznych. W drukarkach wykrywają otwarte pokrywy lub niski poziom papieru.

Hallotrony są wykorzystywane w procesach przemysłowych i produkcyjnych jako czujniki prądu, ciśnienia i przepływu płynu, a także do pomiaru strumienia magnetycznego prądu stałego.
W elektrycznych pistoletach pneumatycznych, regulatorach prędkości gokartów czy spustach pistoletów do paintballa są stosowane jako bezkontaktowe przełączniki.

Pracują w czytnikach DVD/CD, zautomatyzowanych zabawkach, programatorach pralek, sygnalizatorach pozycji, wykrywaczach metali, wskaźnikach ilości gazu w instalacjach LPG, w czujnikach przechyłu oraz w układach zabezpieczeń przeciążeniowych.

Najczęstsze objawy uszkodzenia czujnika Halla

Czujnik Halla nie należy do szczególnie awaryjnych podzespołów i zazwyczaj nie ma określonej żywotności ani nie podlega okresowym wymianom. Niemniej jednak, wymagające warunki pracy, takie jak wysoka temperatura czy kontakt ze smarami i płynami eksploatacyjnymi w komorze silnika, mogą przyczynić się do jego uszkodzenia. Awarie mogą być również wynikiem uszkodzenia mechanicznego, dysfunkcji koła czujnika, zerwania połączenia ze sterownikiem lub wewnętrznego zwarcia elektrycznego.

Zepsuty czujnik Halla może powodować stresujące problemy, a nawet uniemożliwić uruchomienie samochodu, ponieważ odpowiada za wydajną pracę wielu kluczowych podzespołów jednostki napędowej, w tym pomiar prędkości obrotowej i położenia wału korbowego. Brak sygnałów dotyczących obrotów silnika może prowadzić do wyłączenia pompy paliwa i cewki zapłonowej.

Popularne objawy usterek hallotronów to:

• problemy z odpaleniem ciepłego silnika;
• nierówna praca jednostki napędowej na niskich obrotach;
• brak lub nierównomierne rozwijanie mocy przez silnik;
• zapalenie się lampki kontrolnej silnika "check engine";
• praca awaryjna sterownika rozrządu, zapłonu lub układu ABS.

W przypadku wystąpienia tych objawów, warto rozważyć diagnostykę czujnika Halla.

Jak sprawdzić czujnik Halla?

Najszybszą i najwygodniejszą metodą sprawdzenia stanu czujnika Halla jest diagnostyka komputerowa. Systemy diagnostyczne zapisują wszystkie poważne usterki w pamięci komputera sterującego pracą silnika. Odczyt kodów błędów z pamięci urządzenia pozwoli zidentyfikować, który czujnik Halla jest uszkodzony.

Jeśli istnieje potrzeba sprawdzenia czujnika Halla po jego zdemontowaniu z samochodu, do sprawdzania przepływu prądu można użyć multimetra lub oscyloskopu. Po podłączeniu aparatury badawczej do czujnika i doprowadzeniu zasilania, należy włączyć woltomierz i sprawdzić wskazania. Brak przepływu energii elektrycznej przez czujnik Halla oznacza jego awarię. Ważne jest, aby pamiętać, że czujniki Halla są urządzeniami jednorazowymi, które w przypadku awarii nie podlegają naprawie. Jedynym skutecznym rozwiązaniem jest wymiana zużytego podzespołu na nowy. Koszt zakupu nowego urządzenia rzadko przekracza kilkaset złotych.

Różnice między czujnikiem Halla a innymi czujnikami

Czujniki Halla wyróżniają się na tle innych typów sensorów, takich jak czujniki indukcyjne czy optyczne, dzięki swoim unikatowym cechom i zasadzie działania.

W porównaniu do czujników indukcyjnych hallotrony pozwalają na precyzyjne określanie prędkości obrotowej kół, np. w układach ABS, także podczas poruszania się samochodu z minimalną prędkością, niemal od zera. Czujniki indukcyjne mogą mieć problem z dokładnością przy bardzo niskich obrotach. Ponadto, czujniki Halla są mało wrażliwe na wielkość szczeliny powietrznej między czujnikiem a wirnikiem - ma to minimalny wpływ na dokładność pomiarów.
W porównaniu do czujników optycznych/świetlnych czujniki Halla są szczególnie skuteczne w warunkach, gdzie obecność wody, wibracji, kurzu czy brudu mogłaby zakłócić pracę optyki. Pola magnetyczne nie są zakłócane przez czynniki zewnętrzne, co czyni je idealnymi do zastosowań przemysłowych.

Ogólne zalety hallotronów to:

• bezkontaktowy charakter pomiarów - sam element jest niemagnetyczny, co zapewnia nieinwazyjny charakter pomiarów;
• trwałość i długi czas życia - brak ruchomych części przyczynia się do ich długiej żywotności i powtarzalnego działania;
• odporność na warunki atmosferyczne, kurz, wodę, brud - możliwość użycia tam, gdzie inne metody się nie sprawdzają;
• małe wymiary i względna prostota konstrukcji;
• łatwość integracji - dużą zaletą hallotronów jest łatwość ich integracji z innymi elementami elektronicznymi w jednym obwodzie scalonym, często ze wzmacniaczami, układami korekcji czy koncentratorami strumienia.

Mimo wielu zalet, należy zwrócić uwagę, że hallotrony są podatne na wpływ temperatury, która może zmieniać ich czułość, rezystywność półprzewodnika i napięcie asymetrii. Wysokiej jakości czujniki są jednak przez producentów dokładnie kalibrowane, aby zapewnić dużą dokładność i liniowość pomiarów, charakteryzując się niskim współczynnikiem temperaturowym. Ważne jest również, by płynący przez czujnik prąd nie przekraczał dopuszczalnych wartości, ponieważ parametry czujnika są określone dla ustalonego prądu. Trzeba też pamiętać, że obwody wyjściowe i wejściowe nie są izolowane między sobą, co wymaga stosowania izolowanych źródeł prądowych lub wzmacniaczy różnicowych na wyjściu.

Podsumowując, czujnik Halla to wszechstronne i niezawodne urządzenie, które dzięki unikalnej zasadzie działania opartej na zjawisku Halla, stało się nieodzownym elementem w wielu dziedzinach - od motoryzacji, po nowoczesną elektronikę użytkową. Jego zdolność do precyzyjnego i bezkontaktowego pomiaru pola magnetycznego, położenia i prędkości sprawia, że jest kluczowym sensorem w systemach zapewniających komfort, bezpieczeństwo i wydajność.