Wat is een Hall-effectsensor?

Hall-effect element: Definitie en principe

Definitie

Een hall-effect element is een gespecialiseerd type transducer ontworpen om magnetische velden te meten. Aangezien de directe meting van een magnetisch veld niet eenvoudig is, dient het hall-effect transducer als een waardevol hulpmiddel. Het werkt door het magnetisch veld om te zetten in een elektromotorische kracht (emf), een elektrische grootheid die gemakkelijk kan worden gemeten met zowel analoge als digitale meters. Deze conversie stelt de kwantificatie en analyse van de sterkte en kenmerken van magnetische velden in verschillende toepassingen mogelijk.

Principe van de hall-effect transducer

Het onderliggende principe van de hall-effect transducer is gebaseerd op een intrigerend fysisch fenomeen. Wanneer een geleiderstrip die een stroom voert wordt geplaatst binnen een dwarsmagnetisch veld, wordt een elektromotorische kracht (EMF) over de randen van de geleider geïnduceerd. De grootte van de gegenereerde spanning is recht evenredig met de dichtheid van de magnetische flux die door de geleider loopt. Deze unieke eigenschap van geleiders, waarbij de aanwezigheid van een magnetisch veld en een elektrische stroom interactie hebben om een meetbare spanning te produceren, staat bekend als het hall-effect.

Zowel metalen als halfgeleiders vertonen het hall-effect, waarbij de sterkte en gedrag van dit effect afhankelijk zijn van de dichtheid en mobiliteit van hun elektronen. Om dit principe beter te begrijpen, overweeg het hall-effect element dat in de figuur hieronder wordt weergegeven. In deze opstelling wordt er een elektrische stroom aangevoerd via leidingen 1 en 2, terwijl de uitgangsspanning wordt gemeten tussen leidingen 3 en 4. Wanneer er geen magnetisch veld wordt toegepast op de geleiderstrip, zijn leidingen 3 en 4 op hetzelfde elektrische potentiaal.

Wanneer een magnetisch veld wordt toegepast op de strip, wordt er een uitgangsspanning gegenereerd tussen de uitgangsleidingen 3 en 4. Deze geïnduceerde spanning is recht evenredig met de sterkte van het magnetisch veld. Wiskundig kan de relatie worden beschreven door de volgende formule voor de uitgangsspanning VH:

De I is de stroom in ampère en de B is de fluxdichtheden in Wb/m2

Hall-effect transducer: Meetcapaciteiten en toepassingen

Meetcapaciteiten

Zowel de stroom die door de geleider stroomt als de sterkte van het magnetisch veld kunnen worden bepaald door de uitgangsspanningen van een hall-effect transducer te analyseren. Echter, in geleiders is de door het hall-effect gegenereerde elektromotorische kracht (EMF) meestal vrij klein, wat een uitdaging vormt voor nauwkeurige meting. Daarentegen produceren halfgeleiders zoals germanium een relatief grotere EMF. Dit grotere signaal kan gemakkelijk worden gemeten met behulp van bewegingsspoelinstrumenten, waardoor halfgeleiders praktischer zijn voor veel toepassingen op basis van het hall-effect.

Toepassingen van hall-effect transducers

De hall-effect transducer wordt breed gebruikt in verschillende velden vanwege zijn unieke vermogen om magnetische verschijnselen om te zetten in elektrische signalen. Enkele van de belangrijkste toepassingen zijn als volgt:

1. Magnetisch naar elektrisch transducentie

Een van de primaire toepassingen van het hall-effect element is om magnetische flux om te zetten in een elektrisch signaal. Om magnetische velden te meten, wordt een halfgeleidermateriaal geplaatst binnen het magnetisch veld van belang. Hierdoor ontstaat er een spanning over de uiteinden van de halfgeleiderstrips. Deze spanning is recht evenredig met de dichtheid van het magnetisch veld, waardoor de sterkte van het magnetisch veld kan worden gekwantificeerd.

Hall-effect transducers bieden verschillende voordelen. Ze vergen minimale ruimte, waardoor ze geschikt zijn voor compacte ontwerpen. Bovendien leveren ze een continu elektrisch signaal dat nauwkeurig de sterkte van het magnetisch veld weerspiegelt. Echter, ze hebben ook een opvallende beperking: hoge gevoeligheid voor temperatuurvariaties. Deze gevoeligheid betekent dat kalibratie vaak nodig is voor elke individuele meetomstandigheid om nauwkeurige en betrouwbare resultaten te garanderen.

2. Verplaatsingsmeting

Hall-effect elementen worden ook gebruikt om de verplaatsing van structurele componenten te meten. Overweeg bijvoorbeeld een ferromagnetische structuur die is geïntegreerd met een permanente magneet.

In toepassingen voor verplaatsingsmeting wordt een hall-effect transducer geplaatst tussen de polen van een permanente magneet. Wanneer de positie van een ferromagnetisch component binnen deze magnetische veldopstelling verandert, wijzigt dit de sterkte van het magnetisch veld dat door het hall-effect element wordt ervaren. Deze verandering in de sterkte van het magnetisch veld wordt dan omgezet in een overeenkomstige verandering in de uitgangsspanning van de transducer, waardoor de exacte meting van de verplaatsing van de ferromagnetische structuur mogelijk wordt. Deze niet-invasieve methode biedt een betrouwbare manier om de beweging van mechanische delen in verschillende systemen, zoals in industriële machines of robotarmen, te monitoren.

3. Stromemeting

De hall-effect transducer biedt een zeer gemakkelijke en veilige methode voor het meten van elektrische stroom, omdat hij stroommeting mogelijk maakt zonder dat er een directe fysieke verbinding nodig is tussen het geleiderschakeling en het meetapparaat. Of het nu gaat om wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC), wanneer deze wordt toegepast op een geleider, genereert het een magnetisch veld rond de geleider. De sterkte van dit magnetisch veld is recht evenredig met de grootte van de toegepaste stroom. Dit magnetisch veld induceren vervolgens een elektromotorische kracht (emf) over de strips van de hall-effect transducer. De grootte van deze geïnduceerde EMF is afhankelijk van de sterkte van het magnetisch veld, wat gerelateerd is aan de stroom die door de geleider stroomt. Door deze geïnduceerde EMF te meten, kan de waarde van de stroom nauwkeurig worden bepaald, waardoor hall-effect transducers ideaal zijn voor stroomsensoren in een breed scala aan elektrische systemen, van energiedistributienetwerken tot elektronische apparaten.

4. Vermogensmeting

Hall-effect transducers worden ook gebruikt voor het meten van het vermogen van een elektrische geleider. Wanneer er een stroom door de geleider wordt gestuurd, genereert dit een magnetisch veld, waarvan de intensiteit direct samenhangt met de grootte van de stroom. Dit magnetisch veld induceert vervolgens een spanning over de strips van de hall-effect transducer. Door gebruik te maken van een vermenigvuldigercircuit in combinatie met de transducer, kan de uitgangsspanning van de vermenigvuldiger worden gemaakt evenredig met het vermogen dat in de geleider wordt gedissipeerd. Deze benadering stelt efficiënte en nauwkeurige meting van elektrisch vermogen in verschillende toepassingen mogelijk, inclusief in elektrische energie-systemen, waar het monitoren van energieverbruik en -stroom cruciaal is voor energiebeheer en systeemoptimalisatie.