Co je čidlo s Hallův efekt?

Effekt Halla: Definice a princip

Definice

Prvek s efektem Halla je speciální typ převodníku navržený k měření magnetických polí. Protože přímé měření magnetického pole není jednoduché, slouží převodník s efektem Halla jako cenný nástroj. Funkčním principem je převod magnetického pole na elektrickou sílu (EMF), která lze snadno změřit pomocí analogových i digitálních měřicích přístrojů. Tento převod umožňuje kvantifikaci a analýzu síly a charakteristik magnetického pole v různých aplikacích.

Princip převodníku s efektem Halla

Podkladový princip převodníku s efektem Halla je založen na zajímavém fyzikálním jevu. Když je vodič umístěn v transverzálním magnetickém poli a prochází jím proud, vyvolá se elektromotorická síla (EMF) na okrajích vodiče. Velikost vygenerovaného napětí je přímo úměrná hustotě magnetického toku procházejícího vodičem. Tato unikátní vlastnost vodičů, kdy přítomnost magnetického pole a elektrického proudu interagují a produkují měřitelné napětí, se nazývá efekt Halla.

Efekt Halla vykazují jak kovy, tak polovodiče, s intenzitou a chováním tohoto efektu závislými na hustotě a pohyblivosti elektronů. Pro lepší pochopení tohoto principu zvažte prvek s efektem Halla znázorněný na obrázku níže. V tomto nastavení je elektrický proud dodáván přes svorky 1 a 2, zatímco výstupní napětí se měří mezi svorkami 3 a 4. Když na vodič není působeno magnetické pole, jsou svorky 3 a 4 ve stejném elektrickém potenciálu.

Když je na pásek působeno magnetické pole, generuje se výstupní napětí mezi výstupními svorkami 3 a 4. Toto indukované napětí je přímo úměrné síle magnetického pole. Matematicky lze tento vztah popsat následujícím vzorcem pro výstupní napětí VH:

I je proud v amperách a B je hustota magnetického toku v Wb/m²

Převodník s efektem Halla: Měřicí možnosti a aplikace

Měřicí možnosti

Proud procházející vodičem a síla magnetického pole lze určit analyzou výstupních napětí převodníku s efektem Halla. Nicméně, v vodičích je elektromotorická síla (EMF) vygenerovaná efektem Halla obvykle velmi malá, což představuje výzvu pro přesné měření. Naopak, polovodiče, jako je germanium, produkuje relativně větší EMF. Tento větší signál lze snadno změřit pomocí pohyblivých cívkových přístrojů, což dělá polovodiče praktičtějšími pro mnoho měřicích aplikací založených na efektu Halla.

Aplikace převodníků s efektem Halla

Převodník s efektem Halla má široké uplatnění v různých oblastech díky své jedinečné schopnosti převádět magnetické jevy na elektrické signály. Některé z jeho klíčových aplikací jsou následující:

1. Převod magnetického na elektrické

Jednou z hlavních aplikací prvku s efektem Halla je převod magnetického toku na elektrický signál. Pro měření magnetických polí se polovodičový materiál umístí do měřeného magnetického pole. V důsledku toho se vyvine napětí na koncích polovodičových pásků. Tohle napětí je přímo úměrné hustotě magnetického pole, což umožňuje kvantifikaci síly magnetického pole.

Převodníky s efektem Halla nabízejí několik výhod. Vyžadují minimální prostor, což je vhodné pro kompaktní návrhy. Dále poskytují spojitý elektrický signál, který přesně odráží sílu magnetického pole. Avšak mají také významnou omezení: vysokou citlivost na teplotní kolísání. Tato citlivost znamená, že kalibrace je často nutná pro každou individuální měřicí situaci, aby byly zajištěny přesné a spolehlivé výsledky.

2. Měření posunu

Prvky s efektem Halla se také používají k měření posunu strukturálních komponent. Například uvažte feromagnetickou strukturu integrovanou s trvalým magnety.

V aplikacích pro měření posunu je převodník s efektem Halla umístěn mezi póly trvalého magnetu. Jak se mění pozice feromagnetické komponenty v rámci tohoto nastavení magnetického pole, mění se síla magnetického pole, kterou zaznamenává prvek s efektem Halla. Tato změna síly magnetického pole se pak převede na odpovídající změnu výstupního napětí převodníku, což umožňuje přesné měření posunu feromagnetické struktury. Tento neinvazivní způsob poskytuje spolehlivý způsob sledování pohybu mechanických částí v různých systémech, jako jsou průmyslové stroje nebo robotické paže.

3. Měření proudu

Převodník s efektem Halla nabízí velmi pohodlný a bezpečný způsob měření elektrického proudu, protože umožňuje měření proudu bez potřeby jakéhokoli přímého fyzického spojení mezi vodičovým obvodem a měřicím přístrojem. Ať už jde o střídavý (AC) nebo stejnosměrný (DC) proud, když je aplikován na vodič, vygeneruje magnetické pole kolem vodiče. Síla tohoto magnetického pole je přímo úměrná velikosti aplikovaného proudu. Toto magnetické pole pak indukuje elektromotorickou sílu (EMF) na pásce převodníku s efektem Halla. Velikost tohoto indukovaného EMF závisí na síle magnetického pole, která je spojena s proudem procházejícím vodičem. Měřením tohoto indukovaného EMF lze přesně určit hodnotu proudu, což dělá převodníky s efektem Halla ideálními pro detekci proudu v široké škále elektrických systémů, od distribučních sítí po elektronické zařízení.

4. Měření výkonu

Převodníky s efektem Halla se také používají k měření výkonu elektrického vodiče. Když je vodičem vedena elektrická energie, vygeneruje se magnetické pole, jehož intenzita je přímo úměrná velikosti proudu. Toto magnetické pole pak indukuje napětí na pásce převodníku s efektem Halla. Použitím multiplikačního obvodu spolu s převodníkem lze výstupní napětí multiplikačního obvodu udělat úměrné výkonu disipovanému v vodiči. Tento přístup umožňuje efektivní a přesné měření elektrického výkonu v různých aplikacích, včetně elektrických energetických systémů, kde je sledování spotřeby a toku energie klíčové pro správu energie a optimalizaci systému.