Što je Hall-efekt transduktor

Hall Effect Element: Definicija i princip

Definicija

Element Hall efekta je specijalizirani tip pretvarača dizajniran za mjerenje magnetskih polja. Budući da direktno mjerenje magnetskog polja nije jednostavno, pretvarač Hall efekta služi kao vrijedan alat. Funkcionira pretvarajući magnetsko polje u elektromotornu snagu (emf), električku veličinu koju se može lako mjeriti koristeći i analogni i digitalni brojčane prikaze. Ova konverzija omogućuje kvantifikaciju i analizu jačine i karakteristika magnetskog polja u različitim primjenama.

Princip pretvarača Hall efekta

Temeljni princip pretvarača Hall efekta temelji se na zanimljivom fizičkom fenomenu. Kada se vodilna traka s strujom postavi unutar transverzalnog magnetskog polja, inducirana je elektromotorna snaga (EMF) na rubovima vodilnice. Veličina generirane napona je direktno proporcionalna gustoći magnetskog toka koji prolazi kroz vodilnicu. Ova jedinstvena svojstva vodilnika, gdje prisutnost magnetskog polja i električne struje interagiraju kako bi proizveli mjerivi napon, poznata su kao Hall efekt.

Oba metala i poluprovodnici pokazuju Hall efekt, s jačinom i ponašanjem ovog efekta ovisnim o gustoći i mobilnosti njihovih elektrona. Da bismo bolje razumjeli taj princip, promotrimo element Hall efekta prikazan na slici ispod. U ovom postavljanju, električna struja se isporučuje kroz ulaze 1 i 2, dok se izlazni napon mjeri između ulaza 3 i 4. Kada se magnetsko polje ne primijeni na vodilnu traku, ulazi 3 i 4 su na istom električnom potencijalu.

Kada se magnetsko polje primijeni na traku, generira se izlazni napon između izlaznih ulaza 3 i 4. Taj inducirani napon je direktno proporcionalan jačini magnetskog polja. Matematički, odnos se može opisati sljedećom formulom za izlazni napon VH:

I je struja u amperima, a B je gustoća magnetskog toka u Wb/m2

Pretvarač Hall efekta: Mogućnosti mjerenja i primjene

Mogućnosti mjerenja

Struja koja teče kroz vodilnik i jačina magnetskog polja mogu se utvrditi analizirajući izlazne napone pretvarača Hall efekta. Međutim, u vodilnicima, elektromotorna snaga (EMF) generirana Hall efektom obično je vrlo mala, što predstavlja izazov za točno mjerenje. Naprotiv, poluprovodnici poput germanijuma proizvode relativno veću EMF. Taj veći signal lako se može mjeriti koristeći pokretno-cevične instrumente, čime se poluprovodnici čine praktičnijima za mnoge primjene temeljene na Hall efektu.

Primjene pretvarača Hall efekta

Pretvarač Hall efekta široko se koristi u različitim područjima zbog svoje jedinstvene sposobnosti pretvorbe magnetskih pojave u električne signale. Neki od ključnih primjena su sljedeći:

1. Pretvorba magnetskog u električni signal

Jedna od glavnih primjena elementa Hall efekta je pretvorba magnetskog toka u električni signal. Za mjerenje magnetskih polja, poluprovodni materijal se stavlja unutar zanimljivog magnetskog polja. Kao rezultat, razvija se napon na krajevima poluprovodnih traka. Taj napon je direktno proporcionalan gustoći magnetskog polja, omogućujući kvantifikaciju jačine magnetskog polja.

Pretvarači Hall efekta nude nekoliko prednosti. Zauzimaju minimalno prostora, što ih čini prikladnim za kompaktna dizajna. Također pružaju kontinuirani električni signal koji točno odražava jačinu magnetskog polja. Međutim, imaju i značajnu ograničenja: visoku osjetljivost na varijacije temperature. To znači da je kalibracija često nužna za svaki pojedinačni scenarij mjerenja kako bi se osigurali točni i pouzdani rezultati.

2. Mjerenje pomaka

Elementi Hall efekta također se koriste za mjerenje pomaka konstrukcijskih komponenti. Na primjer, razmotrimo feromagnetsku strukturu integriranu s stalnim magnetom.

U primjenama za mjerenje pomaka, pretvarač Hall efekta postavljen je između polova stalnog magneta. Kako se položaj feromagnetske komponente unutar ovog postavljanja magnetskog polja mijenja, mijenja se jačina magnetskog polja koju doživljava element Hall efekta. Ta promjena jačine magnetskog polja zatim se prenosi u odgovarajuću promjenu izlaznog napona pretvarača, omogućujući točno mjerenje pomaka feromagnetske strukture. Ova neinvazivna metoda pruža pouzdan način praćenja kretanja mehaničkih dijelova u različitim sustavima, poput industrijskog strojarstva ili robota.

3. Mjerenje struje

Pretvarač Hall efekta nudi vrlo praktičan i siguran način mjerenja električne struje, omogućujući mjerenje struje bez potrebe za bilo kakvom direktnom fizičkom vezom između vodilnog kruga i mjernog brojčanog prikaza. Bez obzira na to jest li struja izmjenjiva (AC) ili jednosmjerna (DC), kada se primijeni na vodilnik, generira magnetsko polje oko vodilnika. Jačina tog magnetskog polja direktno je proporcionalna magnitudi primijenjene struje. Taj magnetski tok, zatim, inducira elektromotornu snagu (emf) na trakama pretvarača Hall efekta. Magnituda tog induciranog EMF-a ovisi o jačini magnetskog polja, koja je povezana sa strujom koja teče kroz vodilnik. Mjerišem tog induciranog EMF-a, vrijednost struje se može točno utvrditi, čime se pretvarači Hall efekta idealni za otkrivanje struje u širokom spektru električnih sustava, od mreža za distribuciju energije do elektroničkih uređaja.

4. Mjerenje snage

Pretvarači Hall efekta također se koriste za mjerenje snage električnog vodilja. Kada se struja prosljeđuje kroz vodilj, generira se magnetsko polje, s intenzitetom polja direktno korelirajućim s magnitudom struje. Taj magnetski tok zatim inducira napon na trakama pretvarača Hall efekta. Koristeći množački krug uz pretvarač, izlazni napon množača može se učiniti proporcionalnim snazi rasipanoj u vodilju. Taj pristup omogućuje učinkovito i točno mjerenje električne snage u različitim primjenama, uključujući električne sustave snage, gdje je nadgledanje potrošnje i toka energije ključno za upravljanje energijom i optimizaciju sustava.