Tato malá krabička umístěná v motorovém prostoru, o které většina řidičů ani neví, je důležitou součástkou, bez níž vůz ani nenastartuje. Řeč je o Hallově snímači, který zjednodušil a usnadnil mnoho věcí v oblasti techniky a jehož přítomnosti si všimneme, až když přestane fungovat.
Objev, historické pozadí
V letech 1861 až 1862 prováděl James Clerk Maxwell výzkum, který znamenal převrat v teorii elektromagnetismu. Výsledky tohoto výzkumu popsal ve čtyřsvazkové publikaci s názvem “On Physical Lines of Force“ (O fyzikálních siločárách). Přestože jeho názory nebyly potvrzeny tehdejší matematikou, považujeme dnes tohoto vědce za zakladatele moderní teorie elektromagnetismu.
Zatímco se Maxwell lopotil s matematickou stránkou své teorie, mnoho vědců ji testovalo v praxi. Důležitou otázkou v této oblasti byla interakce mezi magnety a elektrickým proudem a také vztah mezi vodiči a magnetickým polem.
V roce 1879 tento jev objevil Edwin Hall, který na Univerzitě Johnse Hopkinse v Baltimoru pracoval na své doktorské práci. Později se tento jev po něm dokonce pojmenoval. K prvnímu (experimentálnímu) praktickému využití však došlo až o 18 let později.
Fyzikální jev
Podle definice se jev projevuje následovně: pokud ve vodiči nebo polovodiči umístěném v magnetickém poli protéká proud, působí na částice nesoucí proud (v případě kovů jsou to elektrony) tzv. Lorentzova síla, což znamená, že na se obou stranách vodiče vytvoří rozdíl potenciálů. Toto napětí se nazývá Hallovo napětí.
Hallovo napětí je dostatečně velké, aby neutralizovalo výše zmíněnou Lorentzovu sílu působící na nabité částice:
UH = – (I ∙ B) / (q ∙ n ∙ d)
kde:
- UH – Hallovo napětí
- I – proud
- B – magnetická indukce
- q – základní zatížení
- n – koncentrace nabitých částic
- d – tloušťka vodiče rovnoběžného s B
Zjednodušeně řečeno, podstata Hallova jevu spočívá v tom, že pokud materiálem (vodičem/polovodičem) prochází proud a magnetické pole je kolmé na směr proudu, elektrony procházející tímto materiálem se vychýlí jedním směrem. Tato výchylka je určena směrem magnetického pole a protékajícího proudu.
Toto Hallovo napětí je způsobeno tím, že na jedné straně materiálu je více elektronů a na druhé méně, takže mezi oběma stranami vzniká rozdíl potenciálů. Tento jev se využívá v různých typech senzorů, včetně:
A) Lineární senzory: výstupní napětí se mění v závislosti na intenzitě magnetického pole.
B) Výstupy logických signálů:
- Jednopólové snímače: Když intenzita magnetického pole dosáhne určité úrovně, je udržován nepřetržitý výstupní signál.
- Dvoupólové snímače: Spínají se, když je jeden pól blízko, a vypínají se, když je blízko druhý.
- Vícepólové snímače: Při přiblížení se spínají bez ohledu na směr zmagnetování.
Teoretický výzkum Hallova jevu je velmi rozmanitý, proto se jím nebudeme podrobně zabývat.
Praktické využití
Výše uvedená řešení představují nejběžnější formy Hallových snímačů. Snad nejběžnější je dvoupólový neboli bipolární snímač, který se používá v průmyslu pro snímání polohy.
Jedním z nejběžnějších příkladů je detekce polohy rotoru bezuhlíkových stejnosměrných elektromotorů nebo přepínání tranzistorů ve správném pořadí.
Tato funkce se začala používat v počítačových klávesnicích v 60. letech 20. století. Protože se jednalo o drahé řešení, využívalo se zpočátku velmi málo, zejména u strojů s kritickým bezpečnostním významem (například ve vojenských zařízeních). Ačkoli byla tato technologie drahá, fungovala velmi spolehlivě a předvídatelně.
Snímače lze nyní vyrábět mnohem levněji, takže jsou běžné i v mnoha periferních zařízeních (např. v kolečku počítačové myši). Kromě toho se používají také v měřicí technice, jako lineární převodníky a v nespočtu dalších oblastí.
Použití v automobilovém průmyslu
Na stejném principu je založeno i použití v osobních automobilech. Pokud snímač přijímá napětí (např. 12 V), protéká jím proud. V důsledku pohybu magnetu v jeho blízkosti vzniká detekovatelné napětí.
Vzhledem k tomu, že ve vozidlech je poměrně mnoho pohyblivých částí, lze Hallovy snímače nalézt na mnoha místech. V nejjednodušších praktických provedeních sleduje snímač rotační pohyb tak, že je před ním obvykle umístěn kruhový kotouč s malými magnety. V této podobě lze Hallův snímač nalézt například ve snímačích polohy klikové a vačkové hřídele nebo ve snímačích ABS.
Hallův snímač lze využít i jako signál zapalování. V tomto případě je magnet v pevné poloze a před ním se otáčí děrovaná destička. Hallovy snímače používají některá vozidla také v ukazatelích stavu paliva, kde slouží k detekci polohy plováku uvnitř palivové nádrže.
Výhody, použité materiály
Hallův snímač funguje velmi dobře, pokud je pohyblivost elektronů nízká. To omezuje skupinu materiálů, které jsou pro Hallovy snímače vhodné:
- Arsenid galia (GaAs)
- Arsenid india (InAs)
- Fosfid india (InP)
- Antimon india (InSb)
- Grafen
Přestože materiály nejsou zrovna levné, na výrobu jednoho kusu je potřeba minimální množství. Ačkoli je Hallův snímač velmi přesné zařízení, jeho výroba je stále cenově výhodná. Životnost je mnohem delší než u jiných srovnatelných součástek.
Kromě toho nesmíme zapomenout na rozměry: Hallův snímač je velmi kompaktní, takže jej lze bez problémů instalovat na mnoha místech bez větších úprav. Od 70. let 20. století je tato součástka považována v automobilovém průmyslu za nepostradatelnou, takže se nezdá, že by jej z trhu mohlo vytlačit jiné zařízení fungující na stejném principu.
Komentáře