STUDIUL TRADUCTORULUI HALL

1. Obiectul lucrarii

Scopul prezentei lucrari il constituie determinarea caracteristicilor unui traductor Hall si prezentarea unui senzor magnetic comutator cu traductor Hall incorporat (bSM 230).

2. Consideratii teoretice

2.1 Traductorul Hall

2.1.1 Efectul Hall.

Efectul Hall se studiaza simplificat considerand o placa semiconductoare, cu conductibilitate electronica, de lungime infinita si grosime h mica, parcursa de curentul i_c si plasata transversal intr-un camp magnetic omogen si invariabil de inductie B_e (fig. 5.1).

Fig. 5.1 Studiul efectului Hall.

In aceste conditii asupra electronilor liberi care se misca ordonat cu viteza medie v_m , se exercita forta Lorentz, sub actiunea careia electronii sunt deviati spre fata laterala S₄ a placii, pe care o incarca cu un surplus de sarcini negative, fata opusa S₃ ramanand incarcata pozitiv. Ca urmare intre cele doua fete se stabileste un camp electric omogen, numit camp Hall, de intensitate E _H.

Intensitatea campului Hall E_H fiind uniforma, deriva dintr-o functie potentiala V_H, numita potential Hall, iar integrala de linie a acestei intensitati de camp efectuata intre doua puncte se numeste tensiune Hall si este data de relatia:

u_Ho i_c B_e    (5.1)

unde:

R_H este constanta Hall a materialului semiconductor, n fiind numarul electronilor liberi si e sarcina electrica a electronului.

2.1.2 Efectul magnetorezistiv.

Efectul magnetorezistiv fizic sau efectul Gauss consta in variatia conductivitatii materialelor semiconductoare in functie de inductia magnetica.

La un material cu conductibilitate mixta, tinand cont de repartitia statistica a vitezelor, in campuri magnetice slabe, variatia relativa a rezistivitatii este data de relatia:

B_e (5.2) In particular, la semiconductoare de tip " n " se obtine:

    (5.3)

unde:

m_n (m_p) reprezinta factorul de mobilitate al electronilor (golurilor).

2.1.3 Tensiunea Hall a sondelor de dimensiuni finite.

In practica, materialul semiconductor se foloseste sub forma de placi de dimensiuni finite, placuta fiind de obicei paralelipipedica de lungime a, latime b si grosime h foarte mica fata de celelalte dimensiuni (fig.5.2.a). Curentul de comanda este adus prin contactele lipite pe fetele S₁ si S₂ realizandu-se fie contacte punctiforme ca in fig. 5.2.b, fie contacte pline ca in fig. 5.2.c. Tensiunea Hall se culege, de regula prin contacte numite contacte Hall lipite in punctele 3 si 4, situate pe axa de simetrie a placii, latimea l a acestora fiind foarte mica.

Fig. 5.2 Sonde Hall de dimensiuni finite.

In ipoteza unor contacte Hall punctiforme, tensiunea Hall este data de expresia:

u_ho G i_c B_e k₀ i_c B_e     (5.4)

unde functia G este data de curba din fig. 5.3, iar k₀ se numeste sensibilitatea in gol a sondei.

Fig. 5.3 Dependenta functiei G de raportul .

Daca latimea l a contactelor Hall este diferita de zero, functia G depinde si de factorul , in fig. 5.4 fiind date curbele de variatie ale factorului G in functie de inductia magnetica B_e, ca parametru si

Fig. 5.4 Dependenta functiei G de inductia magnetica B_e

si de parametrul .

2.1.4 Puterea sondei.

Sonda Hall, fiind o placa semiconductoare ce are patru borne de acces cu exteriorul, constituie un cuadripol electric (fig. 5.5).

Fig. 5.5 Schema pentru calculul puterii sondei.

Daca I_c ct., puterea cedata la iesire P_H U_H I_H se exprima in functie de I_c prin relatia:

P_H r    (5.5)

unde:

r este rezistenta de sarcina;

r_H este rezistenta interna a sondei intre contactele 4 si 3.

Aceasta devine maxima cand r r_H si are expresia:

P_{H max}     (5.6)

2.1.5 Materiale semiconductoare utilizate pentru confectionarea sondelor.

In tabelul 1.1 sunt date principalele constante fizice ale materialelor semiconductoare utilizate cel mai frecvent.

Tabelul 1.1

2.2 Senzor magnetic comutator cu traductor Hall incorporat ( bSM 230 )

2.2.1 Schema bloc a senzorului magnetic comutator bSM 230.

In circuitele bSM 230, alimentarea traductorului Hall si a schemei de comutatie are loc prin intermediul unui etaj stabilizator de tensiune (fig. 5.6).

Stabilizarea tensiunii este foarte importanta in functionarea circuitului, deoarece asigura stabilitatea pragurilor de comutatie si permite ca tensiunea de alimentare sa ia valori intr-o gama larga.

Fig. 5.6 Schema bloc a senzorului magnetic comutator bSM 230.

Daca circuitul este plasat intr-un camp magnetic a carui inductie depaseste valoarea corespunzatoare pragului de deschidere, comparatorul comanda prin intermediul unui amplificator de curent injectarea unui curent in baza tranzistorului de iesire; ca urmare colectorul sau poate absorbi un curent important. Se spune in acest caz ca senzorul este "saturat".

Daca inductia magnetica scade sub valoarea pragului de blocare, iesirea comparatorului revine in starea initiala, tranzistorul de iesire nu conduce; se spune ca senzorul magnetic este "blocat".

Intre pragul de deschidere si pragul de blocare exista un histerezis (fig. 5.7), a carui existenta este esentiala in caracteristica de transfer, deoarece asigura imunizarea circuitului fata de zgomot.

Fig. 5.7 Caracteristica de transfer cu histerezis pentru care

B_d = pragul de deschidere, B_b pragul de blocare.

2.2.2 Moduri de actionare.

Bascularea senzorului magnetic comutator poate fi amorsata in mai multe moduri dupa cum urmeaza:

1) Alimentarea cu curent a unui electromagnet.

2) Deplasarea unui magnet permanent.

Astfel magnetul permanent poate actiona in doua moduri, atat frontal cat si transversal (fig. 5.8).

a) b

Fig. 5.8 Magnetul actioneaza frontal (a) ; Magnetul actioneaza transversal (b).

3) Ecranarea campului unui magnet.

Orice material feromagnetic care provoaca o perturbare suficient de puternica a campului

magnetic poate determina blocarea senzorului atunci cand este intercalat intre sursa de camp si senzor (fig. 5.9).

Fig. 5.9 Actionarea prin ecranarea campului.

4) Concentrarea campului unui magnet.

Senzorul magnetic comutator se plaseaza intr-un camp insuficient de intens pentru a-i provoca deschiderea. Apropierea unui material feromagnetic de traductor in partea opusa magnetului are ca efect concentrarea liniilor de camp in dreptul senzorului (fig. 5.10).

Fig. 5.10 Actionarea prin concentrarea campului.

2.3 Prezentarea circuitului magnetic al traductorului Hall

In cele ce urmeaza se va stabili dependenta abaterii maxime de la liniaritate a inductiei magnetice din intrefier de dimensiunile circuitului si de proprietatile magnetice ale materialului feromagnetic.

Legea circuitului magnetic aplicata unei linii de camp, desenate punctat in fig. 5.11 conduce la:

H_d d H_f l_f i N (5.7)

iar legea fluxului magnetic da:

m H_d S_d m H_f S_f    (5.8)

unde

H_d respectiv H_f este intensitatea campului magnetic in intrefier, respectiv fier;

m respectiv m este permeabilitatea magnetica a aerului, respectiv a fierului;

d respectiv l_f este lungimea intrefierului, respectiv a fierului;

S_d respectiv S_f este lungimea tubului de camp din intrefier, respectiv fier;

N este numarul de spire al infasurarii de magnetizare.

a) b

Fig. 5.11 Circuitul magnetic al traductorului Hall.

Din ecuatiile (5.7) si se obtine inductia magnetica din intrefier:

B_d m H_d     (5.9)

Cum m este o functie de i relatia (5.9) exprima o dependenta neliniara intre B_d si i.

Notand cu Dm abaterea maxima a lui m de la o valoare medie, rezulta pentru abaterea de la liniaritate a lui B_d g ), expresia:

g (5.10)

3. Desfasurarea lucrarii

3.1 Chestiuni de studiat

3.1.1 Determinarea dependentei intre tensiunea Hall si curentul prin sonda la inductie constanta U_H f (I_S) _{B ct. ( IL ct. )}

3.1.2 Determinarea dependentei intre tensiunea Hall si inductia campului magnetic prin sonda la cu-rent constant prin sonda U_H f (B) _{IS ct.}

3.1.3 Determinarea rezistentei interne a generatorului Hall (r_H).

3.1.4 Circuit de test pentru bSM 230.

3.1.5 Studiul principalelor aplicatii ale senzorului magnetic comutator bSM 230.

3.2 Modul de lucru si de prelucrare a datelor experimentale obtinute

3.2.1 Se foloseste o sonda Hall tip GH 01 cu urmatoarele caracteristici:

- curent de comanda: 30 mA curent continuu stabilizat;

- tensiune Hall la B 0.6 T si curent de comanda de 30 mA c.c.: > 25 mV;

- tensiune de nealiniere la curent de comanda de 30 mA c.c.: < 2 mV;

- rezistenta electrica pe contactele de curent: max. W

- rezistenta electrica pe contactele de tensiune: max. W

- componenta inductiva de zero la H_c.a. de 0.6 T si frecventa de 50 Hz: < m²;

- curentul maxim de comanda 100 mA;

- eroarea de neliniaritate a tensiunii Hall in domeniul (0.005 . 0.6) T: max. 2% (cu rezistenta de liniarizare precizata);

- coeficientul de variatie a tensiunii Hall cu temperatura in domeniul ( C: max. 0.2% pe C.

Sonda Hall este prevazuta cu patru fire de culori diferite, torsadate doua cate doua pe terminalele de alimentare, respectiv pe cele de tensiune Hall.

In vederea determinarii dependentei intre tensiunea Hall si curentul prin sonda la inductie constanta se va utiliza schema de montaj din fig. 5.12.

Fig. 5.12 Schema de montaj pentru determinarea dependentei intre tensiunea

Hall si curentul prin sonda la inductie magnetica constanta.

Astfel in schema de montaj din fig. 5.12 avem:

S₁ , S₂ - sursa dubla stabilizata de tensiune continua 2x40 V /1. 2 A tip I 4102M;

A₁, A₂,V - multimetre numerice tip E 0304M.

Pentru o inductie magnetica constanta, determinata de o valoare constanta a curentului I_L se variaza curentul de comanda I_S, citindu-se valorile corespunzatoare ale tensiunii Hall, care este indicata de multimetrul numeric V. Datele obtinute se trec in tabelul 5.2, inductia magnetica calculandu-se cu relatia:

B (5.11)

unde m p

Tabelul 5.2   

Se vor trasa curbele U_H f (I_S) _{B ct. ( IL ct. )}

3.2.2 In vederea determinarii dependentei intre tensiunea Hall si inductia campului magnetic la curent constant prin sonda se va utiliza aceeasi schema de montaj, datele obtinute trecandu-se in tabelul 5.3.

Tabelul 5.3

Se vor trasa curbele U_H f (B) _{IS ct.}

3.2.3 Se va determina rezistenta interna a generatorului Hall (r_H) folosind aceeasi schema de montaj, in plus adaugandu-se o cutie decadica R_v in paralel cu multimetrul numeric V (intrerupatorul K este in acest caz pe pozit[M1] ia inchis in fig. 5.12). Pentru valoarea maxima a inductiei magnetice B (corespunzatoare lui I_L 400 mA), se variaza rezistenta R₀, pana cand tensiunea indicata de voltmetru atinge jumatate din valoarea sa in absenta cutiei decadice (intrerupatorul K este pe pozitia deschis in fig. 5.12). Valoarea rezistentei obtinute la cutia decadica este egala cu valoarea rezistentei r_H. Se micsoreaza apoi inductia magnetica B (I_L 100 mA), verificandu-se ca, pentru valoarea rezistentei obtinute anterior, tensiunea U_H atinge jumatate din valoarea ei in absenta cutiei decadice.

3.2.4 Caracteristicile electrice (la T_a C) ale circuitului bSM 230 (fig. 5.13) sunt date in tabelul 5.4.

Fig. 5.13 Senzor magnetic comutator bSM 230.

Tabelul 5.4

Nota: Rezistenta R_L se conecteaza intre terminalele 1si 3.

Functionarea circuitului poate fi verificata folosind schema de montaj din fig. 5.14 in care:

S₁ ,S₂ - sursa dubla stabilizata de tensiune continua 2x40 V /1. 2 A tip I 41021M;

A₁ - multimetru numeric tip E 0304M.

Fig. 5.14 Schema de montaj pentru verificarea functionarii

senzorului magnetic comutator bSM 230.

Se variaza tensiunea de alimentare V₁ mai intai in absenta campului magnetic (B 0, adica senzorul magnetic este blocat, intrerupatorul K fiind in acest caz pe pozitia deschis in fig. 5.14) si apoi pentru un camp de inductie B > 50 mT (senzorul magnetic este deschis, "saturat", intrerupatorul K fiind pe pozitia inchis in fig. 5.14), citindu-se intensitatea curentului I₁ indicat de multimetrul A₁. Valorile obtinute se trec in tabelul 5.5.

Tabelul 5.5

Se va trasa caracteristica de alimentare, I₁ f(V₁) pentru cele doua situatii: senzor magnetic blocat, respectiv senzor magnetic blocat.

3.2.5 Senzorii magnetici comutatori bSM 230 au un evantai larg de aplicatii. Ei apar ca limitatoare de cap de cursa in masini-unelte, masini de cusut si tricotat, periferice de calculatoare, roboti industriali, sunt utilizati la magnetofoane, casetofoane, in sistemele de aprindere electronica pentru motoare cu explozie, in sistemele de securitate, in constructia turometrelor si a vitezometrelor.

In continuare vom prezenta cateva exemple de utilizare a acestora.

- Traductor de orizontabilitate.

Senzorul magnetic comutator poate fi utilizat ca "nivela cu bula de aer" cu iesire electrica. Pentru aceasta un magnet permanent este montat solidar cu un pendul. Sub pendulul aflat in repaus se pozitioneaza senzorul. In mod normal senzorul este deschis. Daca ansamblul este inclinat, pendulul se deplaseaza, iar senzorul se blocheaza (fig. 5.15).

a) b

Fig. 5.15 Traductor de orizontabilitate:

a) principiu;

b) solutie constructiva.

- Traductor de acceleratie

Este cunoscut faptul ca in miscarea accelerata, pendulul se abate de la verticalitate. Efectul poate fi utilizat pentru a construi un traductor de acceleratie ca in fig. 5.16. Se obtine si o indicatie asupra sensului acceleratiei.

Fig. 5.16 Traductor de acceleratie (principial).

- Nivelmetru

Pentru a construi un nivelmetru, se monteaza un magnet permanent pe un flotor, care se poate depasa ghidat prin dreptul unui senzor magnetic comutator. Acesta este actionat in momentul in care nivelul lichidului atinge o valoare dorita (fig. 5.17).

Fig. 5.17 Nivelmetru.

- Detector de cap de cursa.

Piesele mecanice aflate in miscare rectilinie pot fi oprite daca la capatul cursei se plaseaza un senzor magnetic comutator, iar pe piesa se monteaza un magnet (fig. 5.18).

Fig. 5.18 Detector de cap de cursa.

Utilizarea imediata a acestei idei se gaseste la robotii industriali. Astfel in fig. 5.19 este prezentat principial un robot care executa o miscare dute vino intre doua pozitii, actionat de un motor de curent alternativ.

Fig. 5.19 Schema de principiu a unei instalatii pentru schimbarea

automata a directiei de miscare la cap de cursa.

- Detector de unghi de rotatie.

Exista multe situatii in care este utila detectarea unghiului descris de piese aflate in miscare de rotatie. Se pot utiliza toate modurile de actionare, de pilda variatia densitatii fluxului magnetic (fig. 5.20).

Fig. 5.20 Detector de unghi prin dispersarea campului magnetic.

Ecranarea campului magnetic este folosita in exemplul din fig. 5.21 care reprezinta un distribuitor pentru aprinderea electronica a unui motor cu explozie.

Fig. 5.21 Distribuitor pentru motor cu explozie.

- Debitmetru.

Debitul unui fluid printr-o conducta se poate masura cu ajutorul unei turbine introduse in conducta. Paletele turbinei vor fi prelungite astfel incat sa actioneze campul magnetic in care este plasat senzorul (fig. 5.22).

Fig. 5.22 Debitmetru.

- Turometru.

Pentru construirea unui turometru analogic, impulsurile furnizate de senzor se integreaza in timp, obtinandu-se o tensiune proportionala cu turatia care se afiseaza pe un instrument de masura calibrat. Turometrul digital presupune numararea impulsurilor intr-un interval fix de timp, dat de o baza de timp.

- Traductor de curent.

Ultimul exemplu prezentat face apel la un electromagnet,care sesizeaza depasirea valorii limita a curentului prin infasurare (fig. 5.23).

Fig. 5.23 Traductor de curent.

5.Intrebari si probleme

5.1 Care sunt principalele materiale semiconductoare utilizate pentru confectionarea sondelor Hall?

5.2 Care sunt modurile de actionare ale senzorului magnetic comutator?

5.3 In ce consta efectul magnetorezistiv (efectul Gauss)?

5.4 Calculati puterea maxima cedata la iesire P_Hmax , folosind datele experimentale obtinute.

5.Anexa

5.1 Sursa dubla stabilizata de tensiune continua 2x40V/1.2A tip I 4102M

5.1.1Destinatie

Sursa dubla stabilizata de tensiune continua I 4102M este destinata alimentarii circuitelor electronice cu elemente discrete si circuitelor integrate in gama 2x(0 40 V/0.05 1.2 A), fiind prevazuta cu doua iesiri independente care pot fi conectate in serie (din exterior) sau in paralel, fiecare debitand o tensiune de 0 40 V, reglabila continuu, cu o rezolutie de 10 mV (mod de lucru "Tensiune constanta") si un curent de 0.05 1.2 A (mod de lucru "Curent constant"). Trecerea de pe modul de lucru "Curent constant" pe modul de lucru "Tensiune constanta" se face automat si este afisata prin cate doua diode luminescente.

Curentul si tensiunea de lucru pot fi citite selectiv pe cele doua instrumente de pe panou, iar protectia la supratensiune sau la supracurent este automata si se realizeza prin trecerea pe caracteristica de curent constant sau tensiune constanta.

5.1.2 Caracteristici tehnice

- Domeniul nominal de tensiune: 0 40 Vcc;

- Domeniul nominal de curent: 0.05 1.2 A;

- Moduri de lucru: a) separat;

b) paralel (intern);

c) serie (extern).

- Ondulatia tensiunii de iesire: 3 mVvv;

- Stabilizarea la variatia sarcinii (0 100 %) pentru: a) tensiune constanta: 0.01% 4 mV;

b) curent constant: 0.8%.

- Impedanta de iesire pentru: a) f 100 kHz: W

b) f = 1 MHz: W

- Stabilizarea la variatia retelei pentru: a) tensiune constanta: 0.01% 4 mV;

b) curent constant: 0.8%.

- Timpul de revenire tranzitoriu la variatia sarcinii de 20 %: 0.5 ms;

- Coeficient de temperatura pentru a) tensiune constanta: 350 ppm/sC;

b) curent constant: 1000 ppm/sC.

- Consum de retea: max 200 VA;

- Dimensiuni de gabarit: 195x210x360 mm;

Masa: max. 8.5 kg.

5.1.3 Elemente externe de punere in functiune, reglare si control

Pe panoul frontal (fig. 5.24) se gasesc urmatoarele elemente:

1. Intrerupatorul de retea este comun pentru ambele surse, pozitia Pornit"

fiind cu butonul apasat..

2. Comutatorul modului de lucru butonul neapasat indica modul de lucru "Normal"

"Normal" sau "Paralel" si butonul apasat indica modul de lucru "Paralel".

3. Borna de pamant este borna metalica notata cu semnul conventional

si este comuna ambelor surse.

4. Instrumente de panou sunt doua miliampermetre profile (cate unul

pentru fiecare sursa) cu doua scari 50) V si

(0 1.5) A.

5. Elemente de afisaj a sunt cate doua diode LED pentru fiecare sursa,

modului de lucru una pentru tensiune constanta, iar cealalta pentru

curent constant.

6. Comutatoare de selectie pentru sunt comutatoare de apasare cu retinere eliberare,

instrumentul de pe panou pentru cate doua pozitii de tensiune, respectiv de

curent (cate unul pentru fiecare sursa

7. Potentiometre de reglaj tensiune sunt potentiometre multitur, cate unul pentru

fiecare sursa.

Potentiometre de reglaj curent sunt potentiometre multitur, cate unul pentru

fiecare sursa.

Pe panoul din spate se gasesc urmatoarele elemente:

9. Corpul sigurantei fuzibile.

10. Cordonul de alimentare de la retea.

Fig. 5.24 Panoul frontal sursei stabilizate de tensiune

continua 2x40 V/1.2 A de tip I 4102M.   

5.1.4 Punerea in functiune

Se pun potentiometrele de reglaj tensiune pe valoarea minima, iar cele de reglaj curent aproape de valoarea maxima. Butonul modului de lucru se pune pe pozitia "Normal". Se conecteaza sursa la retea si se apasa butonul intrerupatorului de alimentare. In mod normal ambele surse vor trebui sa functioneze, afisand modul de lucru "tensiune constanta".

5.1.5 Lucrul cu sursa

5.1.5.1 Modul de lucru "Normal"

Se pune comutatorul de tensiune pe pozitia 15 V sau 50 V in functie de valoarea dorita, se roteste potentiometrul de tensiune, urmarind reglarea tensiunii de lucru pe instrumentul de pe panou si se readuce potentiometrul de curent pe valoarea minima. Astfel la iesirea la care s-a efectuat reglajul se poate conecta circuitul de lucru. In acest moment sursa va trece pe modul de lucru "curent constant", comutatotul de curent se va pune pe pozitia 0.5 A si se va roti potentiometrul de curent pana la trecerea sursei din nou pe modul de lucru "tensiune constanta".

Daca acul instrumentului de pe panou ajunge la valoarea de 0.5 A fara ca sursa sa treaca pe modul de lucru "tensiune constanta", se pune comutatorul de curent pe pozitia 1.5 A si se continua cresterea curentului. Daca trecerea pe modul de lucru "tensiune constanta" se produce inainte de a se atinge valoarea curentului de 1.2 A inseamna ca alimentarea circuitului de lucru se face in mod normal din punctul de vedere al sursei. Daca sursa nu trece pe modul de lucru "tensiune constanta" nici dupa depasirea valorii de 1.2 A inseamna ca circuitul de lucru consuma mai mult decat poate debita sursa, fie din cauza consumului normal, fie din cauza unei defectiuni. Valoarea curentului la care sursa trece pe modul de lucru "tensiune constanta" reprezinta curentul consumat de circuitul de lucru. Daca montajul de lucru va depasi la un moment dat acest curent, sursa va trece in mod automat pe pozitia "curent constant", impiedicand astfel cresterea curentului peste valoarea reglata.

5.1.5.2 Modul de lucru "Paralel"

Daca circuitul de lucru consuma mai mult de 1.2 A, se poate alimenta de la sursa folosind modul de lucru "paralel". Pentru aceasta se apasa comutatorul modului de lucru pe pozitia P, moment in care sursa din dreapta va prelua comanda sursei din stanga, care trece automat pe modul de lucru "curent constant". Se va efectua reglajul sursei din dreapta dupa modul descris la punctul 5.5.1, insa limita maxima de curent va fi de 2.4 A.