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Sensore a effetto Hall – come controllarne il funzionamento?

2020-11-13

Hall

Nella maggior parte delle applicazioni comuni i sensori Hall vengono utilizzati come interruttori senza contatto. In genere con questa funzione vengono utilizzati sistemi inseriti in alloggiamenti con 3 piedini, dotati di circuiti di condizionamento del segnale completi con un'uscita a due stadi. Pertanto non si tratta tanto di un sensore, quanto di un interruttore a effetto Hall. Tale circuito può essere facilmente controllato se ne conosciamo la tipologia. Quando abbiamo a che fare con un elemento non identificato, dobbiamo disporre almeno di conoscenze sufficienti sul funzionamento del sensore a effetto Hall, tali da poter controllare il funzionamento del componente esaminato. In quest'articolo forniremo una serie di informazioni utili.

Sensore a effetto Hall - nozioni base

La maggior parte degli interruttori a effetto Hall è disponibile in alloggiamenti con 3 uscite del tipo TO-92 o TO-92UA, in cui le uscite sono disposte in base al seguente schema: 1 – Vdd, 2 – massa, 3 – uscita. La loro numerazione è identica a quella di un transistor. Nel caso dei sensori SMD, la situazione diventa più complicata, poiché qui possiamo trovare alloggiamenti SOT-23, SOT-223, SO-8 o altri alloggiamenti dedicati.

Per quanto gli alloggiamenti SOT-23 e SOT-223, questi sono ben noti per i transistor e la numerazione dei pin corrisponde al suddetto schema di piedinatura; in altri tipi di alloggiamenti può essere completamente diversa e senza la documentazione del sensore a effetto Hall o almeno la conoscenza del produttore, sarà difficile determinare quali pin sono responsabili dell'alimentazione o del collegamento dell'interfaccia del sensore.

La popolarità dei sensori a effetto Hall, a volte conosciuti con il nome di "sensori Hall", è dovuta all'integrazione nello stesso alloggiamento del sensore, del sistema di condizionamento, del trigger di Schmitt e di amplificatori di uscita; che consentono l'utilizzo di questi sistemi nell'industria come rilevatori di campo magnetico. Tuttavia, in una situazione del genere, quando abbiamo a che fare con un'uscita a due stadi del tipo on/off, dovremmo piuttosto parlare non tanto di sensore Hall, quanto di un interruttore Hall, anche se spesso (non solo nel linguaggio corrente, ma anche nei cataloghi dei produttori) questi concetti spesso vengono confusi.

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Gli interruttori Hall possono operare nelle seguenti modalità:

  • Sensore Hall bipolare

Per il cambiamento dello stadio dell'uscita dell'interruttore è necessario un campo magnetico con un'intensità appropriata e una polarità a nord o sud. Se il sensore viene posizionato in tale campo, l'uscita del sensore cambierà stadio e rimarrà in questo stadio fino a quando il sensore non verrà posizionato in un campo con polarità opposta. Si dice che i circuiti di questo tipo dispongono di un'uscita del tipo "a chiavistello" (latch).

  • Sensore Hall unipolare positivo

L'uscita di questo interruttore viene attivata a seguito della presenza di un campo magnetico sufficientemente forte e positivo (polo "S"). L'uscita viene disattivata se questo campo svanisce (raggiunge un valore al di sotto della soglia di attivazione).

  • Sensore Hall unipolare negativo

L'uscita di questo interruttore viene attivata a seguito dell'influsso di un campo magnetico sufficientemente forte e negativo (polo "N"). L'uscita viene disattivata se questo campo svanisce (raggiunge un valore al di sotto della soglia di attivazione).

Come posso controllare il funzionamento del sensore Hall?

Per controllare il funzionamento di un sensore è sufficiente conoscere l'effetto Hall e disporre di un alimentatore o di una batteria e un magnete forte. In primo luogo dobbiamo alimentare con tensione positiva il pin numero 1. In secondo luogo, colleghiamo la polarità negativa dell'alimentazione al pin numero 2. Il valore della tensione di alimentazione può essere stimato in base all'applicazione dell'interruttore. I sensori in alloggiamenti miniaturizzati, destinati all'impiego nei dispositivi mobili, presentano una tensione di alimentazione di 3V. Tensioni più elevate, destinate ad applicazioni industriali, variano da 5 a 12V. Purtroppo non si tratta di una regola universale, e se non disponiamo di dati accurati della scheda di catalogo, dovremo essere coscienti del fatto che sperimentando con la tensione di alimentazione potremo danneggiare il sistema di commutazione o non assicurare una sensibilità sufficiente.

Dopo aver collegato la tensione di alimentazione, tra il pin libero del sensore Hall e la massa dobbiamo collegare un voltmetro. Ora, nella parte anteriore del sensore, avviciniamo perpendicolarmente uno dei poli di un magnete forte. A seconda del tipo di interruttore, la tensione alla sua uscita dovrà variare a scatti o dopo l'accostamento del polo "S" o "N". Nel caso di un interruttore bipolare, questo effetto sarà ottenuto dopo l'avvicinamento o l'allontanamento, la rotazione (cambiamento di polarità) e l'ulteriore avvicinamento/allontanamento di uno dei poli del magnete. Se questa tensione varia come previsto, è probabile che l'interruttore funzioni correttamente e sia pronto per l'uso.

Utilizzo e installazione del sensore Hall

Dopo aver controllato il funzionamento del sensore Hall, possiamo procedere all'applicazione di destinazione. Vale la pena seguire alcune regole fondamentali.

Il segnale di uscita del sensore Hall varia in base al valore del seno dell'angolo tra la superficie del sensore e il vettore risultante dell'intensità del campo magnetico. Il segnale massimo viene raggiunto quando le linee di forza del campo magnetico sono perpendicolari alla superficie del sensore, mentre il valore minimo quando sono parallele ad esso. Il produttore calibra i sensori in condizioni ideali, pertanto nelle applicazioni reali è necessario prendere in considerazione possibili errori dovuti all'angolo di installazione dell'interruttore Hall rispetto alla linee di forza del campo magnetico.

Inoltre è importante scegliere l'interruttore Hall appropriato per il magnete o il magnete per l'interruttore. In alcune applicazioni, ad esempio durante la determinazione della posizione di un oggetto rotante, può accadere che il segnale di uscita sia già disponibile quando il magnete si avvicina all'alloggiamento del circuito, piuttosto che quando è esattamente al di sotto di esso.

Anche se i moderni sensori Hall operano in una gamma di temperature molto ampia, questa può avere un forte impatto sui suoi parametri. Durante la scelta dell'interruttore Hall per l'applicazione, è consigliabile prestare attenzione all'intervallo di temperatura ambiente in cui questo componente potrà essere utilizzato.

Inoltre vale la pena di prestare attenzione alla limitazione della corrente di carico. Non tutti gli interruttori Hall possono essere utilizzati per accendere un relè o una spia di segnalazione. Alcuni di questi componenti dispongono di un'uscita con una corrente a basso carico, adattata per l'alimentazione dell'ingresso di circuiti CMOS o TTL. Va ricordato che la corrente di carico influisce direttamente sulla temperatura della struttura dell'interruttore e pertanto sulla sua sensibilità.

L'alloggiamento e il suo tipo devono essere scelti in funzione della destinazione d'uso. Il materiale dell'alloggiamento TO-92 del sensore Hall è di solito delicato e facile da danneggiare. Similmente sarà facile strappare le uscite delicate. Pertanto durante l'installazione di un interruttore nell'applicazione di destinazione, soprattutto con un cavo lungo, è necessaria una corretta protezione delle sue uscite, ad es. mediante saldatura sulla scheda o il collegamento del cavo alla protezione in modo adeguato.

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