To malutkie pudełeczko w komorze silnika, o którego istnieniu większość kierowców nie ma pojęcia, choć bez niego samochód nawet nie ruszy. Mowa tu o czujniku Halla, który uprościł i ułatwił wiele rzeczy w dziedzinie technologii, a którego obecność zauważamy dopiero wtedy, gdy przestanie działać.

Odkrycie, rys historyczny

W latach 1861-1862 James Clerk Maxwell wykonał badania, które zrewolucjonizowały teorię elektromagnetyzmu. Wyniki tych badań opisał w czterotomowej publikacji pt. „On Physical Lines of Force”, czyli o liniach fizycznych siły. Choć jego poglądy nie znajdowały potwierdzenia w ówczesnej matematyce, to dziś uważamy tego naukowca za twórcę nowoczesnej teorii elektromagnetyzmu.

Kiedy Maxwell trudził się nad matematyczną stroną swojej teorii, wielu naukowców testowało ją w praktyce. Ważnym zagadnieniem w tym obszarze było oddziaływanie między magnesami a prądem elektrycznym, jak również związek między przewodnikami a polami magnetycznymi.

W 1879 r. efekt ten został zbadany przez Edwina Halla, który odkrył zjawisko później nazwane jego nazwiskiem, podczas pracy nad rozprawą doktorską na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w Baltimore.

Pierwsze (eksperymentalne) praktyczne zastosowanie miało jednak miejsce dopiero 18 lat później.

Zjawisko

Zgodnie z definicją, efekt jest następujący: jeśli prąd płynie w przewodniku lub półprzewodniku umieszczonym w polu magnetycznym, na cząstki przewodzące prąd (w przypadku metali są to elektrony) oddziałuje tzw. siła Lorentza, co oznacza, że po obu stronach przewodnika pojawia się różnica potencjałów. Napięcie to nazywane jest napięciem Halla.

Napięcie Halla jest wystarczająco duże, aby zneutralizować wspomnianą siłę Lorentza działającą na naładowane cząstki:

U_H = – (I ∙ B) / (q ∙ n ∙ d)

gdzie:

• U_H – napięcie Halla
• I – prąd
• B – indukcja magnetyczna
• q – ładunek podstawowy
• n – koncentracja naładowanych cząstek
• d – grubość przewodu równoległego do B

Mówiąc prościej istotą efektu Halla jest to, że jeśli prąd jest przepuszczany przez materiał (przewodnik/półprzewodnik), a pole magnetyczne biegnie prostopadle do kierunku prądu, to przepływające przezeń elektrony odchylają się w jednym kierunku. Odchylenie to jest określane przez kierunek pola magnetycznego i przepływającego prądu.

Wspomniane napięcie Halla wynika z faktu, że po jednej stronie materiału znajduje się więcej elektronów, a po drugiej mniej, więc między obiema stronami powstaje różnica potencjałów.

Zjawisko to wykorzystywane jest w różnych rodzajach czujników, m.in.:

A) Czujniki liniowe: Napięcie wyjściowe zmienia się wraz z natężeniem pola magnetycznego

B) Wyjścia sygnału logicznego:

• Czujniki jednobiegunowe: Utrzymywany jest ciągły sygnał wyjściowy, gdy natężenie pola magnetycznego osiągnie określony poziom.
• Czujniki dwubiegunowe: Włączają się, gdy jeden biegun jest blisko, a wyłączają, gdy drugi jest blisko.
• Czujniki wielobiegunowe: Po zbliżeniu włączają się niezależnie od kierunku namagnesowania.

Badania teoretyczne nad efektem Halla są bardzo zróżnicowane, więc nie będziemy ich szczegółowo omawiać.

Zastosowanie praktyczne

Wymienione powyżej rozwiązania są najczęściej spotykanymi formami czujników Halla. Być może najpopularniejszym z nich jest czujnik dwubiegunowy lub bipolarny, który jest używany w przemyśle do wykrywania położenia.

Jednym z najczęstszych przykładów jest wykrywanie położenia wirnika bezszczotkowych silników elektrycznych zasilanych prądem stałym i przełączanie tranzystorów w odpowiedniej kolejności.

Funkcję tę zaczęto stosować w klawiaturach komputerowych w latach 60-tych, ale wciąż było to uważane za rozwiązanie drogie, więc początkowo występowało w jednostkach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa (np. używanych do celów wojskowych). Chociaż technologia ta była kosztowna, działała bardzo niezawodnie i przewidywalnie.

Obecnie czujniki można produkować znacznie taniej, więc są one również powszechne w wielu urządzeniach peryferyjnych (np. rolka myszy komputerowej).

Ponadto jest on również stosowany w technologii pomiarowej (mierniki prądu z kłódkami), jako konwerter liniowy i w niezliczonych innych obszarach.

Zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym

Zastosowanie w samochodach osobowych również opiera się na tej samej zasadzie.
Jeśli nadajnik otrzyma napięcie (np. 12 V), popłynie przez niego prąd. W wyniku ruchu magnesu w jego pobliżu powstaje wykrywalne napięcie.

Ponieważ w pojazdach znajduje się stosunkowo wiele ruchomych części, czujniki Halla można znaleźć w wielu miejscach. W najprostszych praktycznych wdrożeniach czujnik monitoruje ruch obrotowy, więc zwykle przed czujnikiem znajduje się okrągły dysk z małymi magnesami. W tej formie czujnik Halla można znaleźć np. w czujnikach położenia kątowego wałka głównego i rozrządu lub w czujnikach ABS.

Czujnik Halla pełni również rolę sygnału zapłonu. W tym przypadku magnes znajduje się w stałej pozycji, a perforowana płyta obraca się przed nim.

Czujniki Halla są stosowane w niektórych pojazdach także we wskaźnikach poziomu paliwa. Czujnik służy do wykrywania położenia elementu pływającego wewnątrz zbiornika paliwa.

Zalety, zastosowane materiały

Czujnik Halla działa naprawdę dobrze, jeśli ruchliwość elektronów jest niska. Ogranicza to bowiem grupę materiałów, które nadają się na czujniki Halla:

• Arsenek galu (GaAs)
• Arsenek indu (InAs)
• Fosforek indu (InP)
• Antymonek indu (InSb)
• Grafen

Choć materiały te są niekoniecznie tanie, to do wykonania jednej sztuki wymagana jest ich minimalna ilość. Chociaż czujnik Halla jest bardzo precyzyjnym urządzeniem, jego produkcja jest nadal opłacalna. Żywotność jest znacznie większa niż np. wyłącznika automatycznego stosowanego w układzie zapłonowym samochodów osobowych.

Ponadto nie możemy zapomnieć o wymiarach: czujnik Halla jest niezwykle kompaktowy, dzięki czemu można go bezproblemowo zainstalować w wielu miejscach bez konieczności dokonywania większych modyfikacji.

Od lat 70. czujnik Halla jest uważany za niezastąpiony element w branży motoryzacyjnej, dlatego nie wydaje się, by jakiekolwiek inne urządzenie działające na tej samej zasadzie mogło wyprzeć go z rynku.