A Hall-szenzor, ami nélkül nincs modern autó
Pici dobozkának tűnik a motortérben, általában fogalma sincs a vezetőnek, hogy napi szinten használja ezt az eszközt, pedig az autója be sem indulna nélküle. Apróság, mely számos funkciót elérhetővé és egyszerűbbé tett a világon a műszaki élet számos területén. A Hall-jeladó tipikusan az az eszköz, aminek a létezéséről ritkán veszünk tudomást – legfeljebb csak akkor, amikor nem működik.
Ebben a cikkben azt mutatjuk be, hogy milyen, amikor üzemel.
Felfedezés, történeti áttekintés
1861 és 1862 között James Clerk Maxwell előállt egy olyan tanulmánnyal, amely forradalmasította az elektromágnesességről akkor ismert tanokat. Ez volt az On physical lines of force, melyet négy részletben publikáltak. Bár akkor még nem volt meg a szilárd matematikai alap a bizonyításhoz, ma így is az elektromágnesesség modern elméleteként tekintünk rá.
Miközben Maxwell az elmélet matematikáján dolgozott, számos tudós tanulmányozta az elméletet. Fontos kérdés volt például a mágnesek és az elektromos áram közötti kölcsönhatás, valamint a vezetők és a mágneses mezők közötti kapcsolat.
1879-ben ezt a hatást vizsgálta Edwin Hall, amikor felfedezte a később róla elnevezett Hall-effektust, miközben a doktori disszertációján dolgozott a Baltimore-i Johns Hopkins Egyetemen.
Az első (kísérleti) gyakorlati alkalmazásra még 18 évet várni kellett.
A jelenség
Az effektus a definíció szerint a következő: ha egy vezetőben vagy egy félvezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor az áramot hordozó részecskékre (fémeknél ez elektron) ún. Lorentz-erő hat, ami azzal jár, hogy a vezető két oldalán potenciálkülönbség lesz. Ezt a feszültséget Hall-feszültségnek nevezzük.
A Hall-feszültség pontosan akkora, hogy a fent említett, töltéshordozókra ható Lorentz-erőt semlegesítse:
UH = – (I ∙ B) / (q ∙ n ∙ d)
ahol:
- UH – Hall-feszültség
- I – áramerősség
- B – mágneses indukció
- q – elemi töltés
- n – a töltéshordozók koncentrációja
- d – a vezető B-vel párhuzamos vastagsága
Ha egyszerűen szeretnénk leírni a jelenséget, akkor a Hall-effektusnak, az a lényege, hogy ha egy vezető vagy félvezető anyagba áramot vezetünk, az áram irányára merőlegesen pedig egy mágneses térbe is belehelyezzük, akkor az áthaladó elektronok az egyik irányba kitérnek. Ezt a kitérést a mágneses mező és az átmenő áram iránya együttesen határozza meg.
A fent említett Hall-feszültség abból származik, hogy az anyag egyik oldalán több, a másikon pedig kevesebb elektron helyezkedik el, tehát ebből következően potenciálkülönbség alakul ki a két oldal között.
Működési módot illetően többféle változattal is találkozhatunk az eszközökben:
- Lineáris: A kimenő feszültség úgy változik, ahogyan a mágneses térerősség
- Logikai jel kimenetű:
- Unipoláris: Folyamatosan tartja a kimeneti jelet, amikor a mágneses térerősség elér egy meghatározott szintet
- Bipoláris: Az egyik pólus közelségének hatására be-, a másikra kikapcsol
- Omnipoláris: Közelítés hatására a mágnesezettség irányától függetlenül bekapcsol
A Hall-effektus elméleti síkon történő kutatása igen szerteágazó, ezért nem taglaljuk részletesen azokat.
Gyakorlati megvalósítások
A fent felsoroltak a leggyakoribb szenzorformák a Hall-jeladók esetén. Ezek közül is talán a legnépszerűbb a bipoláris vagy bináris jeladó, melyet az iparban előszeretettel alkalmaznak helyzetérzékelésre.
Az egyik legáltalánosabb példa a kefe nélküli, egyenáramú villanymotorok forgórésze helyzetének érzékelése, valamint a tranzisztorok megfelelő sorrendben történő kapcsolása.
A számítástechnikában a 60-as években kezdett utat törni magának a klaviatúrákban, ám akkor még költségesnek számított, ezért eleinte csak biztonságkritikus (például katonai célokra használt) egységekben alkalmazták. Ugyanis bár a technológia drága volt, nagyon megbízhatóan és kiszámíthatóan működött.
Ma már sokkal költséghatékonyabban előállíthatók az érzékelők, így több perifériában is elterjedtek (például bizonyos egerek görgője).
Ezen kívül használják még a méréstechnikában (lakatfogós árammérők), lineáris átalakítóként, és végtelenül sok egyéb területen.
Felhasználás az autóiparban
A személygépkocsikban történő alkalmazás is ugyanezen az elven alapszik. Ha a jeladó feszültséget kap (például 12 voltot), áram fog benne folyni. Mágnes mozgatásának hatására a közelében pedig kimutatható feszültség ébred benne.
Mivel a járművekben viszonylag sok a mozgó alkatrész, számos helyen találkozhatunk Hall-szenzorral. A legegyszerűbb gyakorlati megvalósításoknál forgómozgást figyel meg az érzékelő, így általában egy kerek tárcsa található a szenzor előtt, kisméretű mágnesekkel. Ilyen formátumban találjuk meg a Hall-érzékelőt például a fő- és vezérműtengelyek szöghelyzet-jeladóiban, vagy az ABS-szenzorokban.
Kicsit már kialakításban, de szintén Hall-jeladó látja el a gyújtásjeladó szerepét. Ebben az esetben a mágnes rögzített pozícióban van, és egy lyuggatott lemez forog előtte, árnyékolási céllal.
Hall-érzékelőket használnak még egyes gépjárművek üzemanyagszint-jelzőiben is. A szenzor az üzemanyagtartályon belüli lebegő elem pozíciójának érzékelésére szolgál.
Előnyök, felhasznált anyagok
A Hall-effektus érzékelő akkor működik igazán jól, ha kimagasló az elektronmobilitása. Ez behatárolja azokat az anyagokat, melyek igazán alkalmasak Hall-szenzornak:
- Gallium-arzenid (GaAs)
- Indium-arzenid (InAs)
- Indium-foszfid (InP)
- Indium antimonid (InSb)
- Grafén
Noha ezek az anyagok nem feltétlenül tartoznak az alacsony áron beszerezhetők közé, egy eszközhöz minimális mennyiség szükséges belőlük. Így lehetséges az, hogy bár nagyon precíz eszköz, előállítása mégis költséghatékony, élettartama pedig jelentősen meghaladja például a személygépkocsik gyújtásrendszerében alkalmazott, beégésre hajlamos megszakítót.
Mindemellett nem feledkezhetünk meg az eszköz dimenzióiról sem: a Hall-szenzor rendkívül kompakt, ennélfogva rengeteg helyre zökkenőmentesen beépíthető anélkül, hogy komolyabb átalakításokat igényelne a beszerelés.
Bár a járműiparban már a 70-es évek óta kirobbanthatatlannak számít (már létezik intelligens Hall kerékforgás-érzékelő is), egyelőre nem látszik, hogy bármilyen más elven működő eszköz kiszoríthatná a piacról, így feltehetőleg még jó sokáig velünk marad majd.
