Czujnik Halla – co to jest i jak działa w telefonach i laptopach

Czujnik Halla – co to jest?

Żeby zrozumieć, jak działa czujnik Halla, co to jest oraz jakie ma zastosowania, przyda się krótka lekcja historii fizyki. W 1879 roku amerykański fizyk Edwin Hall dokonał pewnego odkrycia. Polega ono na tym, że jeśli weźmiesz metalową płytkę i przepuścisz przez nią prąd elektryczny, a następnie zadziałasz na nią polem magnetycznym (na przykład wytworzonym przez magnes), w płytce pojawi się różnica potencjałów.

Efekt ten powstaje dzięki sile Lorentza działającej na poruszające się ładunki i przesuwaniu ich w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. W rezultacie na krawędziach płyty powstaje różnica potencjałów, którą można zmierzyć lub wykorzystać do uruchamiania niektórych elementów smartfona albo laptopa. Zjawisko to zostało nazwane od imienia odkrywcy i znane jest jako efekt Halla.

Czujnik Halla i jego rodzaje

Efekt odkryty ponad sto lat temu znalazł praktyczne zastosowanie. Jest wykorzystywany do budowy czujników pola magnetycznego, czyli urządzenia znanego jako czujnik Halla. Co to takiego? To mały element elektroniczny, który wykrywa pole elektromagnetyczne. Jego zaleta to brak elementów ruchomych i trących, dzięki czemu znany jest z niezawodności.

Zgodnie z zasadą czułości czujniki przemysłowe Halla dzielą się na:

• jednobiegunowe – reagują tylko na jeden biegun magnetyczny: północny lub południowy;
• dwubiegunowe – włączane po ekspozycji na pole magnetyczne o jednej biegunowości, wyłączane po ekspozycji na pole magnetyczne o przeciwnej polaryzacji;
• omnipolarne – reagują na dowolny biegun magnesów.

Różnica potencjałów wytworzona przez pole magnetyczne na poruszających się ładunkach jest mała, maksymalnie wynosi dziesiątki mikrowoltów. W zastosowaniach praktycznych to nie wystarczy, różnica potencjałów powinna być większa. Do tego celu stosuje się wzmacniacze, które są wbudowane bezpośrednio w obudowę czujnika.

Czujniki Halla dzieli się na dwie klasy w zależności od typu wzmacniacza:

• analogowe – napięcie na wyjściu czujnika jest proporcjonalne do pola magnetycznego, czyli zależy od siły magnesu i odległości od niego. Urządzenia takie zbudowane są na bazie wzmacniacza operacyjnego i służą do pomiaru pól magnetycznych.
• Cyfrowe – napięcie wyjściowe, gdy indukcja magnetyczna osiąga pewien próg, zmienia się od zera do wysokiego poziomu napięcia zasilania. Takie czujniki służą do budowy przekaźników magnetycznych lub generatorów impulsów. Wzmocniony sygnał z płytki jest podawany do urządzenia progowego. Po osiągnięciu ustawionego poziomu czujnik uruchamia się. Poziom wyzwalania można regulować, zmieniając odległość czujnika od źródła pola magnetycznego.

Czujnik Halla – jak działa? Wyjaśniamy!

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez dowolny materiał, elektrony w prądzie naturalnie poruszają się po linii prostej, a elektryczność tworzy własne pole magnetyczne podczas ładowania. Jeśli naładowany elektrycznie materiał zostanie umieszczony między biegunami magnesu, zamiast poruszać się w linii prostej, elektrony będą zbaczać po zakrzywionej ścieżce podczas poruszania się przez materiał. Dzieje się tak, ponieważ ich własne pole magnetyczne reaguje na kontrastujące pole magnesu.

W wyniku tego nowego zakrzywionego ruchu po jednej stronie elektrycznie naładowanego materiału znajduje się więcej elektronów. Dzięki temu różnica potencjałów pojawi się w poprzek materiału pod kątem prostym do pola magnetycznego, zarówno od magnesu, jak i od przepływu prądu elektrycznego. Wykorzystując półprzewodniki (takie jak krzem), czujniki efektu Halla mierzą zmieniające się napięcie, gdy urządzenie jest umieszczone w polu magnetycznym. Gdy czujnik z efektem Halla wykryje, że znajduje się w polu magnetycznym, jest w stanie ustalić położenie obiektów takich jak etui telefonu, pokrywy laptopa lub bezdotykowego kluczyka do stacyjki samochodu.

Czujnik Halla w telefonie pozwala wykryć, kiedy obiekt zbliża się lub oddala tylko dzięki różnym natężeniom pola magnetycznego. Na przykład, gdyby czujnik Halla został umieszczony w ramie drzwi a magnes na drzwiach, czujnik byłby w stanie wykryć, kiedy drzwi są otwarte lub zamknięte dzięki obecności pola magnetycznego. Wszystkie pola magnetyczne mają dwie ważne cechy. Po pierwsze, jest to tak zwana „gęstość strumienia”, która odnosi się do wielkości przepływu magnetycznego przechodzącego przez jednostkę powierzchni, a po drugie, wszystkie magnesy mają dwie polaryzacje (biegun północny i południowy).

Sygnał wyjściowy wychodzący z czujnika Halla reprezentuje gęstość pola magnetycznego wokół urządzenia. Czujniki z efektem Halla mają ustawiony próg, a gdy indukcja magnetyczna przekroczy ten limit, urządzenie jest w stanie wykryć pole magnetyczne, generując sygnał wyjściowy zwany „napięciem Halla”. Wszystkie czujniki z efektem Halla mają wewnątrz cienki kawałek materiału półprzewodnikowego, który przepuszcza przez siebie ciągły prąd elektryczny, aby wygenerować pole magnetyczne. Gdy urządzenie jest umieszczone w pobliżu magnesu zewnętrznego, strumień magnetyczny wywiera siłę na materiał półprzewodnikowy. Siła ta powoduje ruch elektronów, wytwarzając mierzalne napięcie Halla i aktywując czujnik Halla. Wyjściowe napięcie Halla jest wprost proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego przechodzącego przez materiał półprzewodnikowy.

Czujnik Halla w telefonie i laptopie – do czego służy?

Po wyjaśnieniu, jak działają czujniki z efektem Halla i jakie są ich typy, czas przyjrzeć się, w jaki sposób i kiedy są używane te elementy. Istnieją różne zastosowania czujnika efektu Halla, przy czym urządzenia różnią się w zależności od położenia magnesu i sposobu, w jaki porusza się on w kierunku czujnika.

Rodzaje ruchu magnesu to między innymi: czołowy lub boczny, przy czym te warianty zmieniają sposób, w jaki czujnik odbiera pole magnetyczne. Zanim dowiesz się, jakie są zastosowania czujnika efektu Halla, warto przyjrzeć się dwóm ruchom magnetycznym, aby zrozumieć, jak i dlaczego działają te urządzenia.

Ruch czołowy

Wymaga on, aby pole magnetyczne było prostopadłe do czujnika z efektem Halla, a magnes zbliżał się do czujnika na wprost. W tym wariancie czujniki liniowe wykrywają siłę pola magnetycznego na podstawie odległości magnesu. Im bliżej pola magnetycznego, tym jest ono silniejsze, co prowadzi do większego napięcia wyjściowego.

Ruch boczny

Mamy z nim do czynienia, gdy magnes porusza się po powierzchni czujnika Halla ruchem bocznym. Ten rodzaj ruchu jest szczególnie przydatny do liczenia magnesów obrotowych lub do wykrywania szybkości wirowania silnika.

Różne ruchy magnetyczne oferują różne zastosowania dla czujników efektu Halla. Najczęściej urządzenia te używa się do pomiaru obecności, położenia i bliskości obiektów, zarówno w warunkach przemysłowych, jak i domowych.

Czujnik Halla – zastosowania

W domu możesz mieć  czujnik efektu Halla w drukarce. Służy on do wykrywania otwartych pokryw lub gdy papier wymaga uzupełnienia. Detekcja ruchu bocznego pozwala na wykorzystanie czujników Halla do wykrywania prędkości obrotowej. Jest to szczególnie przydatne w prędkościomierzach w samochodach i innych pojazdach, a także kołach rowerowych i elektronicznych układach zapłonowych.

Inne zastosowania czujników Halla obejmują czujniki prądu, ciśnienia i przepływu płynu, które są często używane w procesach przemysłowych i produkcyjnych. Czujniki Halla są również skutecznym, bezstykowym sposobem pomiaru strumienia magnetycznego prądu stałego w przekładnikach prądowych. Istnieją także inne sposoby wykorzystania czujników Halla, w jakich potrzebny jest przełącznik bezstykowy, takie jak elektryczne pistolety pneumatyczne, regulatory prędkości gokartów i spusty elektropneumatycznych pistoletów do paintballa.

Czujniki Halla stosuje się także w telefonach komórkowych ze składanym ekranem i innych urządzeniach mobilnych. W laptopach służą do wykrywania klapek – często są one wyposażone w magnesy. Gdy klapka zostaje zamknięta, magnes przesuwa się w kierunku czujnika Halla. Klapki w etui na smartfonie lub tablecie zapewniają pole magnetyczne, które generuje napięcie Halla. Wykorzystując w obwodzie wyzwalacz Schmitta, urządzenie mobilne jest w stanie wykonać określone operacje. Gdy czujnik Halla wykryje siłę magnetyczną, może na przykład wyłączyć ekran.

Dzięki zastosowaniu czujnika efektu Halla da się przedłużyć żywotność baterii poprzez wyłączenie ekranu, gdy zostaje on zakryty i nie można z niego korzystać. Czujniki Halla są stosowane, ponieważ są niezwykle małe, łatwe i tanie w produkcji oraz niewrażliwe na duże zmiany temperatury, co okazuje się szczególnie przydatne w telefonach.

Nowoczesne laptopy wykorzystują sensor HALL do wykrywania, kiedy wyświetlacz LCD jest zamknięty. Czujnik Halla w laptopie znajduje się w podpórce dłoni i pokrywie komputera, aby włączyć czujnik, gdy wyświetlacz LCD jest w pozycji zamkniętej. Główny cel czujnika Halla to wyłączenie wewnętrznego wyświetlacza LCD. Gdyby nie było czujnika, wyświetlacz nie wyłączyłby się po zamknięciu pokrywy laptopa. Laptop niepotrzebnie by się nagrzewał, zużył więcej energii i musiał fizycznie przełączyć się na zewnętrzny ekran lub wejść w tryb hibernacji.

Starsze komputery mają zazwyczaj czujnik HALL, który znajduje się z tyłu komputera między dolną częścią ekranu LCD a górną podparcia dłoni. Z kolei w większości nowoczesnych komputerów znajduje się on wzdłuż górnej krawędzi wyświetlacza LCD i dolnej części podpórki pod nadgarstki.

FAQ – poznaj odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania!

Gdzie jest czujnik Halla w laptopie?

Czujnik Halla w większości laptopów znajduje się w pokrywie komputera oraz podpórce na dłonie. Dzięki temu podczas zamykania i otwierania komputera ekran jest automatycznie wyłączany lub włączany, a samo urządzenie przechodzi w stan uśpienia lub wybudza się przez czujnik Hala. Jak działa ten element, dowiedziałeś się z naszego artykułu. Pozwala on na oszczędzanie baterii zainstalowanej w danym laptopie. Dodatkowo rozwiązanie to chroni przed przepięciem i uszkodzeniem ważnych podzespołów.

Czym różni się czujnik Halla od innych czujników w telefonie?

Oto jakie czujniki możesz znaleźć w nowoczesnych smartfonach:

• czujnik zbliżeniowy – jeden z podstawowych sensorów w smartfonie. Jego zadaniem jest automatyczne wyłączanie ekranu podczas prowadzenia rozmowy za pomocą promieniowania podczerwonego.

• Magnetometr – sprawia, że telefon działa jak prosty tradycyjny kompas. Zapewnia prostą orientację w stosunku do pola magnetycznego Ziemi. Ten czujnik wykorzystuje się  głównie w mapach cyfrowych, aby poinformować Cię, gdzie jest północ.

W odróżnieniu od nich oraz innych sensorów czujnik Halla opiera swoje działanie na polu magnetycznym, co pomaga także w korzystaniu z rozwiązania, jakim jest bezprzewodowe ładowanie.

Co to jest czujnik Halla? Teraz już wiesz

Po lekturze naszego krótkiego artykułu powinieneś już wiedzieć, czym jest i jakie zadanie spełnia czujnik Halla. Co to urządzenie potrafi oraz gdzie najczęściej się je wykorzystuje? Możesz korzystać z niego każdego dnia w swoim laptopie lub drukarce. Czujniki Halla często spotykane są także w etui do smartfonów lub czytników e-booków. Najbardziej znane ich zastosowanie w motoryzacji to bezkluczykowe uruchamianie samochodów za pomocą karty lub specjalnej pastylki.

Jesteśmy także ciekawi, jakie Ty masz doświadczenia z urządzeniami, w których wykorzystane zostały czujniki Halla. Napisz nam o nich w komentarzu, na pewno je przeczytamy.