Què és un transductor d'efecte Hall?

Element del efecte Hall: Definició i principi

Definició

Un element de l'efecte Hall és un tipus especialitzat de transductor dissenyat per mesurar camps magnètics. Com que la mesura directa d'un camp magnètic no és fàcil, el transductor de l'efecte Hall serveix com una eina valuosa. Funciona convertint el camp magnètic en una força electromotriu (FEM), una quantitat elèctrica que es pot mesurar convenientment amb màquines analògiques i digitals. Aquesta conversió permet la quantificació i l'anàlisi de la força i les característiques del camp magnètic en diverses aplicacions.

Principi del transductor de l'efecte Hall

El principi subjacent del transductor de l'efecte Hall es basa en un fenomen físic intrigant. Quan una tira de conductor que porta corrent s'emplaça dins d'un camp magnètic transversal, es genera una força electromotriu (FEM) a través de les vores del conductor. La magnitud de la tensió generada és directament proporcional a la densitat del flux magnètic que passa a través del conductor. Aquesta propietat única dels conductors, on la presència d'un camp magnètic i una corrent elèctrica interaccionen per produir una tensió mesurable, es coneix com a efecte Hall.

Tant els metalls com els semiconductors mostren l'efecte Hall, amb la força i el comportament d'aquest efecte depenent de la densitat i la mobilitat dels seus electrons. Per entendre millor aquest principi, considerem l'element de l'efecte Hall representat a la figura següent. En aquesta configuració, es proporciona una corrent elèctrica a través de les branques 1 i 2, mentre que la tensió de sortida es mesura a través de les branques 3 i 4. Quan no s'aplica cap camp magnètic a la tira de conductor, les branques 3 i 4 estan al mateix potencial elèctric.

Quan s'aplica un camp magnètic a la tira, es genera una tensió de sortida a través de les branques de sortida 3 i 4. Aquesta tensió induïda és directament proporcional a la força del camp magnètic. Matemàticament, la relació es pot descriure mitjançant la fórmula següent per a la tensió de sortida VH:

On I és la corrent en amper i B és la densitat de flux en Wb/m2

Transductor de l'efecte Hall: Capacitats de mesura i aplicacions

Capacitats de mesura

Tant la corrent que flueix a través del conductor com la força del camp magnètic es poden determinar analitzant les tensions de sortida d'un transductor de l'efecte Hall. Tanmateix, en els conductors, la força electromotriu (FEM) generada per l'efecte Hall és típicament molt petita, presentant un repte per a la mesura precisa. En canvi, els semiconductors com el germàni produeixen una FEM relativament més gran. Aquest senyal més gran es pot mesurar fàcilment utilitzant instruments de bobina mòbil, fent que els semiconductors siguin més pràctics per a moltes aplicacions de mesura basades en l'efecte Hall.

Aplicacions dels transductors de l'efecte Hall

El transductor de l'efecte Hall troba un ús extensiu en diversos camps gràcies a la seva capacitat única de convertir fenòmens magnètics en senyals elèctrics. Algunes de les seves aplicacions principals són les següents:

1. Transducció magnètica-elèctrica

Una de les aplicacions primàries de l'element de l'efecte Hall és convertir el flux magnètic en un senyal elèctric. Per mesurar camps magnètics, un material semiconductor es col·loca dins del camp magnètic d'interès. Com a resultat, són desenvolupada una tensió a través de les vores de les tires de semiconductors. Aquesta tensió és directament proporcional a la densitat del camp magnètic, permetent la quantificació de la força del camp magnètic.

Els transductors de l'efecte Hall ofereixen diverses avantatges. Requereixen espai mínim, fent-los adequats per a dissenys compactes. A més, proporcionen un senyal elèctric continu que reflecteix amb precisió la força del camp magnètic. No obstant això, també tenen una limitació notable: una alta sensibilitat a les variacions de temperatura. Aquesta sensibilitat significa que sovint cal calibrar cada escenari de mesura individual per assegurar resultats precisos i fiables.

2. Mesura de desplaçament

Els elements de l'efecte Hall també s'utilitzen per mesurar el desplaçament de components estructurals. Per exemple, considerem una estructura ferromagnètica integrada amb un imant permanent.

En les aplicacions de mesura de desplaçament, un transductor de l'efecte Hall es posiciona entre els pols d'un imant permanent. Quan la posició d'un component ferromagnètic dins d'aquesta configuració de camp magnètic canvia, altera la força del camp magnètic experimentada pel element de l'efecte Hall. Aquest canvi en la força del camp magnètic es tradueix en un canvi corresponent en la tensió de sortida del transductor, permetent la mesura precisa del desplaçament de l'estructura ferromagnètica. Aquest mètode no invasiu proporciona una manera fiable de monitoritzar el moviment de parts mecàniques en diversos sistemes, com maquinària industrial o braços robòtics.

3. Mesura de corrent

El transductor de l'efecte Hall ofereix un mètode extremadament convenient i segur per a la mesura de la corrent elèctrica, ja que permet la mesura de la corrent sense necessitat de cap connexió física directa entre el circuit del conductor i el metre de mesura. Tant si és corrent alternada (CA) com corrent contínua (CC), quan es passa a través d'un conductor, genera un camp magnètic al voltant del conductor. La força d'aquest camp magnètic és directament proporcional a la magnitud de la corrent aplicada. Aquest camp magnètic, a la vegada, induïx una força electromotriu (FEM) a través de les tires del transductor de l'efecte Hall. La magnitud d'aquesta FEM induïda depèn de la força del camp magnètic, que està relacionada amb la corrent que flueix a través del conductor. Mesurant aquesta FEM induïda, es pot determinar amb precisió el valor de la corrent, fent dels transductors de l'efecte Hall ideals per a la detecció de corrent en una ampla gamma de sistemes elèctrics, des de xarxes de distribució d'energia a dispositius electrònics.

4. Mesura de potència

Els transductors de l'efecte Hall també s'utilitzen per a mesurar la potència d'un conductor elèctric. Quan es passa una corrent a través del conductor, genera un camp magnètic, amb la intensitat del camp directament correlacionada amb la magnitud de la corrent. Aquest camp magnètic, a la vegada, induïx una tensió a través de les tires del transductor de l'efecte Hall. Utilitzant un circuit multiplicador conjuntament amb el transductor, la tensió de sortida del multiplicador es pot fer proporcional a la potència dissipada en el conductor. Aquest enfocament permet la mesura eficient i precisa de la potència elèctrica en diverses aplicacions, inclosos els sistemes de potència elèctrica, on el monitoratge del consum i el flux d'energia és crucial per a la gestió d'energia i l'optimització del sistema.