Czujniki magnetyczne są przetwornikami, w których zachodzi proces przetwarzania indukcji magnetycznej na napięcie elektryczne, które jest przekazywane do kolejnych podukładów aparatury pomiarowej i odpowiednio przetwarzane. Współcześnie, takie czujniki są przyrządami półprzewodnikowymi i coraz częściej są wykorzystywane na różne sposoby w różnych aplikacjach, w których wykonywany jest pomiar prędkości obrotowej, przyspieszenia, a także odczytywanie położenia kątowego elementów wirujących.
Konstruktorzy często sięgają po czujniki magnetyczne, uwzględniając je w projektach urządzeń elektronicznych z uwagi na bezstykowy mechanizm działania, w którym nie dochodzi do zużywania ruchomych elementów mechanicznych, niskie koszty oraz znakomitą wytrzymałość – większość takich czujników jest odporna na wilgoć, zanieczyszczenia środowiskowe oraz wibracje.
Czujniki magnetyczne są bardzo często wykorzystywane w motoryzacji jako elementy pomiarowe, których zadaniem jest dostarczanie informacji dotyczących m.in. pozycji, odległości i prędkości obiektów. Przykładem takiej istotnej informacji jest prędkość obrotowa silnika i położenie wału korbowego – czujnik odbiera i przekazuje te informacje do komputera sterującego pracą silnika, aby na bieżąco była zachowana optymalna regulacja składu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz podanie napięcia na świece zapłonowe.
Czujniki magnetyczne można spotkać również w konstrukcji systemów bezpieczeństwa poprzez korelację ustawienia foteli i pasów bezpieczeństwa ze sterownikiem poduszek powietrznych, a także w układzie sterowania system przeciwblokującym podczas hamowania, znanym jako ABS. Czujniki magnetyczne są projektowane tak, aby mogły wykonywać pomiary w szerokim zakresie wartości natężenia i indukcji pola magnetycznego w różnych aplikacjach pomiarowych i nie tylko. Jednym z najpopularniejszych czujników magnetycznych, których sygnał wyjściowy odwzorowuje indukcję pola magnetycznego, jest czujnik Halla. Firma Waveshare wyszła naprzeciw oczekiwaniom elektroników, tworząc ciekawy moduł rozszerzeniowy, wykorzystujący układ AH49E – scalony czujnik Halla.
Czujnik Halla – budowa i zasada działania
W swojej konstrukcji czujniki Halla wykorzystują cienkie, prostokątne płytki wykonane z półprzewodnika typu p, do których można zaliczyć takie materiały jak arsenek galu, arsenek indu czy też antymonek indu – tych substancji używa się także w produkcji fotorezystorów. W wyniku umieszczenia płyty półprzewodnika w polu magnetycznym przecinający płytę strumień magnetyczny powoduje załamanie w ruchu elektronów, nośników i dziur elektronowych, co w konsekwencji prowadzi do ich przemieszczenia się na drugą stronę płyty półprzewodnika. Ruch nośników ładunków jest właśnie skutkiem oddziaływania pola magnetycznego na materiał półprzewodnikowy. Kiedy elektrony i dziury elektronowe przemieszczają się po krawędzi płyty półprzewodnikowej, dochodzi do powstania różnicy potencjałów między górną a dolną powierzchnią płyty półprzewodnikowej, wskutek gromadzenia się ładunku elektrycznego. Ruch elektronów w płycie półprzewodnikowej jest wymuszony właśnie obecnością strumienia pola magnetycznego, przecinającego powierzchnię tej płyty. Najlepsze rezultaty można osiągnąć wtedy, kiedy powierzchnia płyty ma kształt prostokątny, a linie sił pola magnetycznego tworzą z powierzchnią płyty kąt prosty. Czujnik Halla dostarcza systemowi pomiarowemu informacje na temat biegunowości i natężenia mierzonego pola magnetycznego. Pole magnetyczne ukierunkowane na południe (“S”) spowoduje powstanie napięcia Halla i czujnik poda na wyjściu stan wysoki, a gdy czujnik wykryje pole magnetyczne ukierunkowane na północ, będzie to równoznaczne z brakiem lub szczątkowym oddziaływaniem i na wyjściu czujnika pojawi się stan niski. Natomiast prezentowany moduł Waveshare 9522 z wbudowanym, scalonym czujnikiem Halla AH49E, poza sprawdzeniem obecności pola magnetycznego, umożliwia także wykonanie jego pomiaru natężenia.
Czujnik Halla AH49E - moduł Waveshare - specyfikacja techniczna
- Układ czujnika: AH49E
- Układ komparatora: LM393
- Napięcie zasilania: 2,3 – 5,3 V
- Wymiary modułu: 29,2 x 11,2 mm
- Średnica otworów montażowych: 2,0 mm
Opis wyprowadzeń i ich funkcje:
- 1: “DOUT” – wyjście sygnału cyfrowego, wykazującego obecność lub brak oddziaływania pola magnetycznego w pobliżu czujnika
- 2: “AOUT” – wyjście sygnału analogowego, odwzorowującego natężenie pola magnetycznego
- 3: “GND” – masa układu
- 4: “VCC” – napięcie zasilania
Zasada działania:
Moduł Waveshare 9522 wykorzystuje scalony czujnik Halla AH49E współpracujący z komparatorem różnicowym LM393. Poziom sygnału wyjściowego z czujnika AH49E jest proporcjonalny do mierzonej wartości natężenia pola magnetycznego, wykrywanego przez czujnik. Przy zerowej wartości natężenia pola magnetycznego, sygnał na wyjściu czujnika jest równy połowie wartości napięcia zasilającego, podawanego na pin “VCC”. Próg detekcji pola magnetycznego jest nastawiany potencjometrem. Moduł czujnika Halla można wykorzystać w takich aplikacjach jak układy pomiaru prędkości obrotowej silników, czy też układu pomiaru przyspieszenia i położenia kątowego.
