Hvad er en Hall-effekt-transducer

Hall-effekt element: Definition og princip

Definition

Et Hall-effekt element er en specialiseret type transducer, der er designet til at måle magnetiske felter. Da direkte måling af et magnetisk felt ikke er let, fungerer Hall-effekt transduceren som et værdifuldt værktøj. Den opererer ved at konvertere det magnetiske felt til en elektrisk spænding (emf), en elektrisk størrelse, der kan måles bekvemt med både analoge og digitale målere. Denne konvertering gør det muligt at kvantificere og analysere styrken og karakteristikkerne af magnetiske felter i forskellige anvendelser.

Princip for Hall-effekt transduceren

Det underliggende princip for Hall-effekt transduceren bygger på et interessant fysisk fænomen. Når en strøm-førende lederstrip placeres i et tværstykende magnetfelt, induceres en elektrisk spænding (EMF) over lederskivernes kanter. Størrelsen på den genererede spænding er direkte proportional med tætheden af magnetfluxen, der passerer gennem lederen. Dette unikke egenskab hos ledere, hvor tilstedeværelsen af et magnetfelt og en elektrisk strøm interagerer for at producere en målelig spænding, kaldes Hall-effekten.

Både metaller og halvledere viser Hall-effekten, og styrken og opførslen af denne effekt afhænger af densiteten og mobiliteten af deres elektroner. For at bedre forstå dette princip, betragt Hall-effekt elementet, der er vist på figuren nedenfor. I denne opsætning leveres en elektrisk strøm gennem ledere 1 og 2, mens udgangsspændingen måles over ledere 3 og 4. Når intet magnetfelt anvendes på lederstripen, er ledere 3 og 4 på samme elektriske potentiale.

Når et magnetfelt anvendes på stripen, dannes en udgangsspænding over udgangslederne 3 og 4. Den inducerede spænding er direkte proportional med styrken af magnetfeltet. Matematisk kan forholdet beskrives ved følgende formel for udgangsspændingen VH:

I er strømmen i ampere, og B er fluxtæthederne i Wb/m2

Hall-effekt transducer: Målekapacitet og anvendelser

Målekapacitet

Både strømmen, der løber gennem lederen, og styrken af magnetfeltet kan bestemmes ved at analysere udgangsspændingerne fra en Hall-effekt transducer. Imidlertid er Hall-effekt-genererede elektriske spændinger (EMF) typisk meget små i ledere, hvilket stiller en udfordring for præcis måling. I modsætning hertil producerer halvledere som germanium en relativt større EMF. Dette større signal kan nemt måles ved hjælp af bevægelige spoleinstrumenter, hvilket gør halvledere mere praktiske for mange Hall-effekt-baserede målingsanvendelser.

Anvendelser af Hall-effekt transducere

Hall-effekt transducere findes bred anvendelse i forskellige områder på grund af deres unikke evne til at konvertere magnetiske fænomener til elektriske signaler. Nogle af de vigtigste anvendelser er følgende:

1. Magnetisk til elektrisk transduktion

En af de primære anvendelser af Hall-effekt elementet er at konvertere magnetflux til et elektrisk signal. For at måle magnetiske felter placeres et halvledermateriale inden for det magnetiske felt, der ønskes målt. Dette resulterer i, at en spænding dannes over enderne af halvlederstripperne. Denne spænding er direkte proportional med tætheden af magnetfeltet, hvilket gør det muligt at kvantificere styrken af magnetfeltet.

Hall-effekt transducere har flere fordele. De kræver minimal plads, hvilket gør dem egnet til kompakte design. Desuden giver de et kontinuerligt elektrisk signal, der præcist afspejler styrken af magnetfeltet. Imidlertid har de også en bemærkelsesværdig begrænsning: høj sensitivitet over for temperaturvariationer. Dette betyder, at kalibrering ofte er nødvendig for hvert enkelt målescenario for at sikre præcise og pålidelige resultater.

2. Foredragsmåling

Hall-effekt elementer anvendes også til at måle forskydningen af strukturelle komponenter. For eksempel, betragt en ferromagnetisk struktur integreret med en permanent magnet.

I fordragsmålingsanvendelser positioneres en Hall-effekt transducer mellem polerne af en permanent magnet. Når positionen af en ferromagnetisk komponent i denne magnetfeltopsætning ændres, ændrer det styrken af det magnetiske felt, der opleves af Hall-effekt elementet. Denne ændring i styrken af det magnetiske felt oversættes derefter til en tilsvarende ændring i transducerens udgangsspænding, hvilket gør det muligt at præcist måle forskydningen af den ferromagnetiske struktur. Denne ikke-invasive metode giver en pålidelig måde at overvåge bevægelsen af mekaniske dele i forskellige systemer, såsom i industrielle maskiner eller robotarme.

3. Strømmåling

Hall-effekt transducere tilbyder en meget bekvem og sikker metode til at måle elektrisk strøm, da den gør det muligt at måle strøm uden behov for direkte fysisk forbindelse mellem ledersirkuitet og måleapparatet. Uanset om det er vekselstrøm (AC) eller gennemstrøm (DC), når det anvendes på en leder, dannes et magnetfelt omkring lederen. Styrken af dette magnetfelt er direkte proportional med størrelsen på den anvendte strøm. Dette magnetfelt inducerer derefter en elektrisk spænding (emf) over stripene af Hall-effekt transduceren. Størrelsen af denne inducerede EMF afhænger af styrken af det magnetiske felt, som er relateret til strømmen, der løber gennem lederen. Ved at måle denne inducerede EMF kan værdien af strømmen præcist fastslås, hvilket gør Hall-effekt transducere ideelle til strømsensorer i en lang række elektriske systemer, fra strømforsyningsnetværk til elektroniske enheder.

4. Effektmåling

Hall-effekt transducere bruges også til at måle effekten af en elektrisk leder. Når en strøm passerer gennem lederen, dannes et magnetfelt, hvis intensitet direkte korrelerer med størrelsen på strømmen. Dette magnetfelt inducerer derefter en spænding over stripene af Hall-effekt transduceren. Ved at bruge en multiplikatorkredsløb sammen med transduceren kan udgangsspændingen fra multiplikatoren gøres proportional med effekten, der dissiperes i lederen. Denne tilgang gør det muligt at effektivt og præcist måle elektrisk effekt i forskellige anvendelser, herunder i elektriske strømsystemer, hvor overvågning af effektforbrug og -flow er afgørende for energistyring og systemoptimering.