hall-anturi.jpg
Kytkintyyppinen Hall-anturi pintaliitoskotelossa

Hall-anturi mittaa magneettikentän suuruutta. Sen toiminta perustuu elektroneihin vaikuttavaan magneettiseen voimaan, joka aiheuttaa jännite-eron johtimen reunojen välille. Hall-anturin toiminta ei perustu induktioon, joten se pystyy havaitsemaan myös paikallaan pysyviä magneettikenttiä.

Yleisesti käytetyissä antureissa on itse mittausosan lisäksi integroitu kytkentä, joka vahvistaa signaalia. Ulostulo voi olla joko analoginen signaali, tai kytkintyyppinen. Edellisiä käytetään virtamittauksissa ja jälkimmäisiä esimerkiksi pyörimisnopeuden mittauksessa.

Historia

Edwin H. Hall havaitsi mukaansa nimetyn ilmiön vuonna 1879. Hall-ilmiö on metalleissa hyvin heikko, joten sen löytyminen sattumalta olisi ollut epätodennäköistä.

Ampere havaitsi vuonna 1820, että virtajohtimeen vaikuttaa voima, kun se on magneettikentässä. Hall lähti liikkeelle ajatuksesta, että voima ei vaikutakaan suoraan johtimeen vaan siinä kulkevaan virtaan, jonka nykyään tiedetään koostuvan elektroneista. Tällöin virta poikkeaa toiseen reunaan johtimessa, minkä voi mitata jännite-erona.[1]

Toimintaperiaate

hall-periaate.png
Hall-anturin toimintaperiaate. Anturielementti on kuvassa näkyvä puolijohdelevy. Oikeassa reunassa on esitetty elektroniin vaikuttava magneettinen voima ns. oikean käden säännön perusteella.

Hall-ilmiö syntyy, kun magneettikenttä vaikuttaa johtimessa kulkeviin elektroneihin, poikkeuttaen ne toiseen reunaan johdinta. Magneettikenttä on kohtisuorassa suhteessa virran kulkusuuntaan.

Hall-elementtien suunnittelussa on tarkoitus maksimoida jännite-ero, jotta sen mittaaminen ja käsittely olisi helppoa. Yleensä mitattavat jännitteet vaihtelevat mikrovolteista millivoltteihin.

Elektroneja poikkeuttava magneettinen voima saadaan suureksi, kun elektronien nopeutta kasvatetaan. Tämä onnistuu puolijohteissa, joissa varauksenkuljettajien tiheys on paljon pienempi kuin metalleissa. Tällöin elektronien nopeuden on oltava korkeampi, jotta niitä kulkisi johtimen läpi sama kappalemäärä sekunnissa eli sama virta.[2]

Anturin herkkyyttä voidaan parantaa myös keskittämällä magneettikenttää rautapalojen avulla. Tällöin elementin ympärille sijoitetaan pienet rautalevyt, jotka aiheuttavat väliinsä ympäristöä voimakkaamman magneettikentän.[3]

Anturityypit

Hall-antureita valmistetaan yleisesti kolmen tyyppisinä:

Analogiset anturit mittaavat magneettikentän suuruutta. Niiden ulostulo on tyypillisesti vahvistettu jännite- tai virtasignaali. Analogisia Hall-antureita käytetään erityisesti virtamittauksissa.

Hall-kytkimet kytkeytyvät päälle magneetin tullessa lähelle. Ne sisältävät analogisen anturin lisäksi Schmitt-trigger -kytkennän, jolla signaali muutetaan digitaaliseksi. Kytkentätoimintoa käytetään monissa koneissa osien paikan määrittämiseen rajakytkimen tapaan.

Pelkät anturielementit tarvitsevat ulkoisen kytkennän vahvistusta varten. Niitä voidaan käyttää sekä mittaus- että kytkentätarkoituksissa, ulkoisesta kytkennästä riippuen.

Käyttökohteita

Alla on esitelty tyypillisiä Hall-anturien käyttökohteita, sekä Hall-anturin etuja muihin vaihtoehtoihin nähden.

Pyörimisnopeusmittaus

hall-pyorimisanturi.png
Pyörimisnopeuden mittaaminen Hall-anturilla
Kytkintyyppistä Hall-anturia voidaan käyttää pyörimisnopeuden määrittämiseen optisen anturin tapaan. Pyörivässä rautalevyssä on rakoja, ja levyn toisella puolella on magneetti ja toisella Hall-kytkin. Rautalevy "oikosulkee" magneettikentän, jolloin se pääsee anturille asti vain aukkojen kohdalla.[4]

Toisin kuin optinen anturi, magneettikenttään perustuva Hall-anturi ei häiriinny auringonvalosta eikä liasta. Rautalevy voi kuitenkin olla mekaanisesti vaikeampi ratkaisu kuin optiselle anturille sopiva muovinen rakolevy.



Virtamittaus

hall-virtamittaus.png
Sähkövirran mittaaminen Hall-anturilla
Sähkölaitteen käyttämää virtaa voidaan mitata suoraan kytkentäjohtimen ympärille muodostuvan magneettikentän perusteella.[5] Samaan periaatteeseen perustuu virtamuuntajan käyttö, mutta sillä ei voida mitata tasavirtoja. Tasavirtoja voidaan mitata sarjavastuksella, mutta siitä puolestaan aiheutuu tehohäviöitä.

Hall-anturilla tehty virtamittaus ei aiheuta tehohäviöitä ja sopii sekä vaihto- että tasavirralle. Lisäksi anturin rakenne voi olla sellainen, että johdin pystytään mittaamaan ilman sen katkaisemista. Ulkoiset magneettikentät voivat kuitenkin häiritä mittausta.

Rajakytkimet

hall-rajakytkin.png
Hall-kytkin tunnistaa kuljettimen ääriasennot.
Monissa koneissa käytetään kytkimiä havaitsemaan osien paikat moottorien ohjausta varten. Esimerkiksi milloin luukku on kiinni tai terä ala-asennossa. Tähän voidaan käyttää Hall-anturin lisäksi optisia antureita, reed-kytkimiä tai tavallisia kytkimiä.

Kuten aiemmin mainittiin, optiset anturit voivat häiriintyä valosta tai liasta. Reed-kytkimien käyttö perustuu Hall-anturien tapaan kappaleeseen kiinnitettyyn magneettiin. Niissä on kuitenkin mekaanisia osia, jotka kuluvat. Sama ongelma on tavallisissa kytkimissä. Mekaaniset kytkimet ovat toisaalta Hall-anturia yksinkertaisempi ratkaisu.

Demostraatio

hall-kytkentakaavio.png
Oheisessa kuvassa on esitetty Hall-kytkimen kokeiluun sopiva kytkentäkaavio. Anturiin on kytketty käyttöjännitteet, ja ulostuloon on kytketty LED-valo. Tässä anturissa ulostulo on avokollektori-tyyppinen, eli se kytkeytyy maahan kun anturi havaitsee magneettikentän.







hall-kytkenta_pelkka.jpg
Kytkentä on koottu verolevylle, jossa itse anturi on vasemmalla näkyvä musta mikropiiri. Anturi havaitsee pystysuuntaisen magneettikentän, mistä voidaan päätellä Hall-elementin olevan sen sisällä vaakasuorassa. Käyttöjännite tulee paristoista, ja anturin kuluttama virta on noin 2mA.

Käytetty anturi on peräisin puretusta levykeasemasta, jossa sillä tarkkaillaan levykkeen pyörimistä. Se on pintaliitoskotelossa, ja osat on siksi juotettu "väärälle" puolelle piirilevyä. Teollisuuskäytössä käytettävät anturit on koteloitu kestävämpiin koteloihin, joista lähtee kaapeli muuhun kytkentään.




hall-kytkenta_on.jpg
Kun pieni magneetti tuodaan 2 cm etäisyydelle anturista, se kytkeytyy päälle ja LED-valo syttyy.









hall-kytkenta_off.jpg
Tämä anturi reagoi magneettikenttään vain yhdessä suunnassa. Kun magneetti käännetään ja toinen napa tuodaan anturin lähelle, ei tapahdu mitään.









Yhteenveto

Hall-antureilla on monia käyttökohteita, joissa ne ovat muita vaihtoehtoja kestävämpiä ja monipuolisempia. Anturi voidaan integroida muun kytkennän kanssa samalle puolijohteelle. Nykyisten integroitujen piirien kanssa anturia käyttävä kytkentä on myös hyvin yksinkertainen.

Myöhemmin on löydetty myös muita ilmiöitä, joiden avulla voidaan mitata staattisia magneettikenttiä. Hall-anturien kanssa samoista käyttökohteista kilpailevat mm. anisotrooppinen magnetoresistiivinen teknologia. [6]



Lähteet

  1. ^ Hall effect devices, R. S. Popović, 1991.
  2. ^ Hall-effect sensors: theory and applications, Ed Ramsden, 2006.
  3. ^ High Sensitivity Hall Sensor, Microsystems Institute, Switzerland, 2002.
  4. ^ Automotive technology: a systems approach, Jack Erjavec, 2005.
  5. ^ Hall-virta-anturin datalehti
  6. ^ ST ahtoi digitaalisen kompassin anturiin, Prosessori, 2010.