Traductoare Hall si utilizarea lor la autoturisme

FACULTATEA DE MECANICA SI TEHNOLOGIE

Traductoare Hall si utilizarea lor la autoturisme

1. Efectul Hall. Consideratii teoretice

Efectul Hall este un efect galvanomagnetic observat pentru prima data de E. H. Hall in 1880. Acest efect consta in aparitia unui camp electric transversal (denumit camp electric Hall E_H ) si a unei diferente de potential intr-un metal sau semiconductor parcurse de un curent electric, atunci cand ele sunt introduse intr-un camp magnetic, perpendicular pe directia curentului.

Se considera cazul unei proba semiconductoare paralelipipedice de dimensiuni a,b, c (fig.1). Campul electric Hall apare atunci cand proba semiconductoare este plasata intrun camp de inductie magnetica B si intr-un camp electric exterior de intensitate

Vectorii formeaza un triedru drept (fig. 1), adica (E,0,0); (0, B,0); (0,0, E_H ).

Sub actiunea campului electric extern = (E,0,0) prin proba semiconductoare trece

un curent electric de intensitate I. Prin aplicarea pe proba respectiva a campului magnetic de

inductie (0, B,0) intre fetele laterale ale probei, pe directie normala pe si (fig. 1),

apare o diferenta de potential U_H = V_A −V_B numita tensiune Hall. Tensiunea Hall este determinata de devierea purtatorilor de sarcina electrica ce formeaza curentul prin proba, sub actiunea fortei Lorenz:

unde v este viteza medie de miscare prin proba a purtatorilor de sarcina electrica (sau viteza de drift) sub actiunea campului E , iar e este sarcina electrica elementara e=1.6*10^-19C [1].

Intensitatea campului electric Hall este:

E_H=U_H/a.

2. Efectul Hall in sisteme magnetice

In materialele feromagnetice( si cele paramagnetice in camp magnetic), reziztivitatea Hall include o contributie aditionala, cunoscuta ca Efect Hall Anormal( sau Efect Hall neobisnuit), care depinde direct de starea de magnetizare a materialului, si adeseori are o pondere mai mare decat efectul Hall normal.

In ciuda faptului ca este un fenomen recunoscut, exista totusi o discutie legata despre originea sa in diferite materiale. Efectul Hall anormal poate fi ori efect extrinsec datorita dispersiei purtatorilor de sarcina, sau efect intrinsec.

Dispozitivele cu efect Hall produc la iesire un nivel de semnal foarte scazut din aceasta cauza necesita o amplificare. In timp ce pentru instrumentele de laborator amplificatoarele cu tuburi cu vid disponibile in prima parte a secolului 20 erau potrivite, pentru aplicatiile cotidiene acestea erau prea scumpe si mari consumatoare de energie. Senzori cu efect Hall au devenit convenabili pentru productia de masa odata cu deszvoltarea circuitelor integrate ieftine. Multe dispozitive comercializate acum sub denumirea de "Senzori cu efect Hall" sunt de fapt dispozitive care incorporeaza intro singura capsula atat sensorul Hall cat si circuitul integrat cu amplificare mare. Avantajele recente au rezultat prin adaugarea convertoarelor analog-digitale(ADC) si a I²C( Inter-Intergrated circuit communication protocol) pentru conectarea directa la porturile de intrare/iesire a microcontrolerului integrat in capsula.

3. Avantaje

Dispozitivele cu efect Hall xcapsulate corespunzator sunt imune la praf, noroi si umiditate. Aceste caracteristici fac din dispozitivele cu efect Hall mai potrivite pentru aplicatii pentru detectia pozitiei sau a miscarii decat alte metode cum ar fi metoda optica sau electromecanica[2].

4. Aplicatii in domeniul auto

Aplicatiile tipice in domeniul auto:

pozitia arborelui cu came

pozitia vibrochenului

sensori de current

presiune de ulei

pozitia pedalei

pozitie

presiune

pozitia scaunului

viteza

unghi de virare

pozitia volanului

pozitia suspensiei

pozitia supapelor

1. Detectia vitezei vibrochenului

Fig.2 Pozitia arborelui

Acest tip de sensor este constituit dintr-un magnet permanent, un lant, o bobina. Sensorul este montat aproape de roata dintata. Cand un dinte al rotii trece prin fata senzorului, un current pulsatoriu este indus in bobina. Fiecare dinte produce un impuls. Cu cat viteza rotii creste cu atat numarul de pulsuri creste. Unitatea electronica de control(ECU) va determina viteza de rotatie a componentei in functie de numarul de pulsuri inregistrate. [3].

2. Detectia vitezei rotii

Senzorii pentru roata functioneaza conform principiului folosit la detectia vitezei vibrochenului[4]. Componenta mobila, in acest caz roata, are un disc cu dinti de metal. Senzorul este echipat cu o bobina si un magnet permanent. Bobina are o particularitate ca va produce o tensiune cand un camp magnetic variabil este present. Cand nu exista metal in fata senzorului liniile de camp magnetic de la magnetul permanent sunt indreptate dinspre nord spre sud trecand prin infasurarile bobinei. In momentul in care roata incepe sa se invarta dintii de metal vor trece prin fata senzorului si liniile de amp magnetic se vor modifica. Aceasta modificare va produce o tensiune de fiecare data cand un dinte metallic trece prin fata senzorului. Tensiunea se produce la transitia dintre un dintre si un gol aparut in fata senzorului. Daca dintele sta in fata senzorului(roata sta) tensiune scade la zero. Distanta dintre sensor si roata de metal este foarte importanta pentru ca o distanta mai mare va produce un camp magnetic mai slab deci o tensiune mai scazuta. Distanta optima este intre 0.1-1.5 mm[4].

3. Detectia pozitiei scaunului pasagerului

Pozitia scaunului este utilizata de sistemele de siguranta pentru a determinat pozitia pasagerului fata de volan, limitand forta de explozie a aibag-ului.

Cea mai utilizata metoda este incorporarea unui sensor Hall pentru detectia zonelor de pozitie a scaunului[5]. Senzorul trebuie sa retransmita aceasta informatie sub forma digitala spre unitatea de comanda pentru a indica o anumita zona.

Calea de rulare a scaunului este de obicei din metale feroase capabila sa intrerupa campul magnetic intre un sensor hall si un magnet. Materialul feros din calea de rulare trece printre un comutator si un magnet provocand intrerupatorulul sa comute ON sau OFF, in functie de pozitia scaunului . O modificare in starea de iesire a senzorului indica unitatii de control ca scaunul este intr-o anumita zona.

Calea de rulare a scaunului poate fi impartita in mai multe zone in functie de numarul de senzori hall care sunt folositi.Daca se folosesc 2 senzori vom avea 4 zone posibile. Daca scaunul este intro zona mai apropiata de volan unitatea de control va stabili o forta de explozie a airbagului mai mica.Unitatea de control va decoda iesirea senzorilor hall pentru a stabili in ce zona se afla scaunul. Doi senzori va furniza la iesire un cod Grey prezentat in fig 3 si in tabelul 1

Fig. 3 Zonele depozitie a scaunului

Tabelul 1. Codul Grey

4. Detectia inchiderii centurii de siguranta

In cupla de inchidere a centurii de singuranta se gasesc un mecanism cu resort si un amsamblu cu senzor Hall. Mecanismul cu resort realizeaza blocarea automata a limbii metalice a centurii. In mod normal ansablul cu senzor Hall are un anumit nivel de tensiune la iesire daca limba centurii de siguranta nu este introdusa in mecanismul cu resort. Acest nivel de tensiune este diferit in momentul in care limba centurii este introdusa in mecanism.

Fig.4 Structura interna a cuplei de inchidere - centura in afara

Fig.5 Structura interna a cuplei de inchidere - centura cuplata

Astfel semnalul de iesire al mecanismului cu senzor Hall va indica daca centura este pusa sau nu[6].

Fig.6 Schema electrica

5. Detectia pozitiei volanului

Variatia tensiunii unui element Hall sau a resistentei a unui element magnetorezitiv se poate utiliza la sensori de pozitie sau viteza.

O mica portiune(10) al axului volanului este filetata si cuplata la o bucsa. Bucsa include o bara de ghidare(16) care prezinta o neuniformitate magnetica(18,18`). Montajul cu sensor include un senzor galvanometric(30) montat intr-un canal fix(20). Miscarea de rotatie a axului volan este transformata in miscare de translatie repetata a barii de ghidare. Tensiunea de iesire a sensorului indica pozitia axiala a neuniformitatii magnetice deci pozitia volanului se poate afla[7].

Fig. 7.

6. Detectia pozitiei pedalei de frana

Pentru detectarea pozitiei unei portiuni feromagnetice a pedalei se foloseste un transistor cu efect Hall si un montaj cu magnet permanent. Modificarea pozitiei pedalei de frana va determnina o variatie a campului magnetic si provocand o miscare a starii dispozitivului cu efect Hall.

Fig.8 Dtectarea pozitiei pedalei

Tranzistorul cu efect Hall ca un comutator alternand la iesire un semnal digital "high" sau "low" dependent de modificarea fluxului magnetic detectata de tranzistorul cu efect Hall. In pozitia normala a pedelei tranzistorul cu efect Hall este in starea `high` . Cand pedala se apasa, deci elementul feromagnetic este departat , dispozitivul cu efect Hall intra in starea "low".

5. Bibliografie

1. Studiul efectului Hall la semiconductori, Universitatea "Politehnica" Bucuresti, 

Departamentul de Fizica, 2005

2. https://en.wikipedia.org/wiki/hall_effect#hall_effect_in_semiconductors
3. Position/speed sensors,  Toyota Motors Sales , www.toyota.com
4. https://www.tiepie.com/uk/automotive/gmto/kia_carnaval_problem.html
5. https://www.allegromicrop.com/en/products/design/wehicle_safety
6. US Patent 5742986 - Seat belt buckle with hall effect locking indicator and method of use

Carrion, Steven G., Gentry Scott B, Blackburn Brian K

7. US Patent Nr. 6,400,142 B1 - Steering wheel sensor, Thaddeus Schroeder, 4 iunie 2002
8. US Patent 6,422,658 B1 - Brake pedal sensor and electronic switch

Frederick Valeriano, 23 iulie 2002