Hva er Hall-effekttransducer?

Halleffekt-element: Definisjon og prinsipp

Definisjon

Et halleffekt-element er en spesialisert type transducer designet for å måle magnetiske felt. Siden direkte måling av et magnetisk felt ikke er enkelt, fungerer halleffekt-transduceren som et verdifullt verktøy. Den opererer ved å konvertere det magnetiske feltet til en elektromotorisk kraft (emf), en elektrisk størrelse som kan måles bekvemt både med analoge og digitale måler. Denne konverteringen tillater kvantifisering og analyse av styrken og karakteristikkene i magnetiske felt i ulike applikasjoner.

Prinsipp for halleffekt-transduceren

Det underliggende prinsippet for halleffekt-transduceren er basert på et fascinerende fysisk fenomen. Når en strøm-førende lederstripe plasseres i et tværs magnetisk felt, induceres en elektromotorisk kraft (EMF) over kantene av lederelementet. Størrelsen på den genererte spenningen er direkte proporsjonal til tettheten av det magnetiske fluks som passerer gjennom lederelementet. Dette unike egenskapen hos lederelementer, der tilstedeværelsen av et magnetisk felt og en elektrisk strøm interagerer for å produsere en målbart spenning, kalles halleffekten.

Både metaller og halvledere viser halleffekten, med styrken og oppførselen av denne effekten avhengig av elektronenes tetthet og mobilitet. For å bedre forstå dette prinsippet, vurder halleffekt-elementet vist i figuren nedenfor. I denne oppsettet leveres en elektrisk strøm gjennom kontakter 1 og 2, mens utgangsspenningen måles mellom kontakter 3 og 4. Når det ikke er påført noen magnetisk felt til lederstripa, er kontakter 3 og 4 på samme elektrisk potensial.

Når et magnetisk felt påføres stripa, genereres en utgangsspenning mellom utgangskontaktene 3 og 4. Denne induerte spenningen er direkte proporsjonal til styrken i det magnetiske feltet. Matematisk kan forholdet beskrives ved følgende formel for utgangsspenningen VH:

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

Halleffekt-transducer: Måleenheter og anvendelser

Måleenheter

Både strømmen som flyter gjennom lederelementet og styrken i det magnetiske feltet kan bestemmes ved å analysere utgangsspenningene fra en halleffekt-transducer. Imidlertid er halleffekt-genererte elektromotoriske krefter (EMF) typisk ganske små i lederelementer, noe som gir utfordringer for nøyaktig måling. I motsetning til dette produserer halvledere som germanium en relativt større EMF. Dette større signalet kan lett måles ved bruk av bevegelige spoleinstrumenter, noe som gjør halvledere mer praktisk for mange halleffekt-baserte målingsapplikasjoner.

Anvendelser av halleffekt-transducere

Halleffekt-transducere har bred anvendelse i ulike felt grunnet deres unike evne til å konvertere magnetiske fenomener til elektriske signaler. Noen av de viktigste anvendelsene er følgende:

1. Magnetisk til elektrisk transduksjon

En av de primære anvendelsene av halleffekt-elementet er å konvertere magnetisk fluks til et elektrisk signal. For å måle magnetiske felt, plasseres et halvledermaterial innenfor det interessante magnetiske feltet. Som et resultat, utvikler en spenning seg over endene av halvlederstriper. Denne spenningen er direkte proporsjonal til tettheten av det magnetiske feltet, noe som tillater kvantifisering av styrken i det magnetiske feltet.

Halleffekt-transducere har flere fordeler. De trenger minimal plass, noe som gjør dem egnet for kompakte design. I tillegg gir de et kontinuerlig elektrisk signal som nøyaktig reflekterer styrken i det magnetiske feltet. Imidlertid har de også en betydelig begrensning: høy sensitivitet for temperatursvariasjoner. Dette betyr at kalibrering ofte er nødvendig for hver enkelt målingssituasjon for å sikre nøyaktige og pålitelige resultater.

2. Forflytningsmåling

Halleffekt-elementer brukes også for å måle forflytningen av strukturelle komponenter. For eksempel, betrakt en ferromagnetisk struktur integrert med en permanent magnet.

I forflytningsmålingsapplikasjoner er en halleffekt-transducer plassert mellom polene til en permanent magnet. Når posisjonen til en ferromagnetisk komponent i dette magnetiske feltoppsettet endres, endres styrken av det magnetiske feltet som halleffekt-elementet opplever. Denne endringen i styrken av det magnetiske feltet blir deretter oversatt til en tilsvarende endring i utgangsspenningen fra transduceren, noe som gjør det mulig å presist måle forflytningen av den ferromagnetiske strukturen. Denne ikke-invasiv metode gir en pålitelig måte å overvåke bevegelsen av mekaniske deler i ulike systemer, som i industriell maskineri eller robotarme.

3. Strømmåling

Halleffekt-transducere tilbyr en svært bekvem og sikker metode for å måle elektrisk strøm, da det muliggjør strømmåling uten behov for noen direkte fysisk kobling mellom ledersirkelen og måleinstrumentet. Uansett om det er alternerende strøm (AC) eller direkte strøm (DC), når det påføres en leder, genereres et magnetisk felt rundt lederen. Styrken av dette magnetiske feltet er direkte proporsjonal til størrelsen på den påførte strømmen. Dette magnetiske feltet inducerer igjen en elektromotorisk kraft (emf) over striper av halleffekt-transduceren. Størrelsen på denne induerte EMF er avhengig av styrken av det magnetiske feltet, som er relatert til strømmen som flyter gjennom lederen. Ved å måle denne induerte EMF, kan verdien av strømmen nøyaktig fastsettes, noe som gjør halleffekt-transducere ideelle for strømsensing i en rekke elektriske systemer, fra strømforsyningsnettverk til elektroniske enheter.

4. Effektmåling

Halleffekt-transducere brukes også for å måle effekten av en elektrisk leder. Når en strøm sendes gjennom lederen, genereres et magnetisk felt, med intensiteten av feltet direkte korrelerende med størrelsen på strømmen. Dette magnetiske feltet inducerer så en spenning over striper av halleffekt-transduceren. Ved å bruke en multipliserende sirkuit sammen med transduceren, kan utgangsspenningen fra multiplikatoren gjøres proporsjonal til effekten som slutter i lederen. Denne tilnærmingen tillater effektiv og nøyaktig måling av elektrisk effekt i ulike applikasjoner, inkludert i elektriske energisystemer, der overvåking av energiforbruk og -strøm er viktig for energibehandling og systemoptimalisering.