Co to jest czujnik efektu Halla?

Element z efektem Halla: Definicja i zasada działania

Definicja

Element z efektem Halla to specjalizowany typ przetwornika zaprojektowany do pomiaru pól magnetycznych. Ponieważ bezpośredni pomiar pola magnetycznego nie jest prosty, przetwornik z efektem Halla stanowi cenny narzędzie. Działa on, konwertując pole magnetyczne na siłę elektromotoryczną (emf), wielkość elektryczną, którą można wygodnie mierzyć zarówno przy użyciu cyfrowych, jak i analogowych mierników. Ta konwersja pozwala na kwantyfikację i analizę natężenia i cech pola magnetycznego w różnych zastosowaniach.

Zasada działania przetwornika z efektem Halla

Podstawowa zasada działania przetwornika z efektem Halla opiera się na fascynującym zjawisku fizycznym. Gdy pas prowadzący prąd umieszczony jest w poprzecznym polu magnetycznym, powstaje siła elektromotoryczna (EMF) między krawędziami przewodnika. Wielkość wygenerowanego napięcia jest bezpośrednio proporcjonalna do gęstości strumienia magnetycznego przechodzącego przez przewodnik. Ta unikalna właściwość przewodników, gdzie obecność pola magnetycznego i prądu elektrycznego wzajemnie oddziałują, tworząc mierzalne napięcie, znana jest jako efekt Halla.

Efekt Halla występuje zarówno w metalach, jak i półprzewodnikach, a jego siła i zachowanie zależą od gęstości i ruchliwości elektronów. Aby lepiej zrozumieć tę zasadę, rozważ element z efektem Halla przedstawiony na poniższym rysunku. W tym układzie prąd elektryczny podawany jest przez kontakty 1 i 2, podczas gdy napięcie wyjściowe mierzone jest między kontaktami 3 i 4. Gdy do pasu przewodnika nie zastosowane jest pole magnetyczne, kontakty 3 i 4 są w tym samym potencjale elektrycznym.

Gdy do pasa zastosowane jest pole magnetyczne, generowane jest napięcie wyjściowe między kontaktami 3 i 4. To wywołane napięcie jest bezpośrednio proporcjonalne do siły pola magnetycznego. Matematycznie, związek ten można opisać następującym wzorem dla napięcia wyjściowego VH:

I oznacza prąd w amperach, a B oznacza gęstości strumienia magnetycznego w Wb/m2

Przetwornik z efektem Halla: Możliwości pomiarowe i zastosowania

Możliwości pomiarowe

Oba parametry, prąd płynący przez przewodnik i siła pola magnetycznego, mogą być określone poprzez analizę napięć wyjściowych przetwornika z efektem Halla. Jednak w przewodnikach, siła elektromotoryczna (EMF) wytworzona przez efekt Halla jest zazwyczaj bardzo mała, co stwarza trudności w dokładnym pomiarze. W przeciwieństwie do tego, półprzewodniki, takie jak german, produkują stosunkowo większe EMF. To większe sygnały można łatwo zmierzyć za pomocą instrumentów z przenośnikiem cewki, co sprawia, że półprzewodniki są bardziej praktyczne dla wielu zastosowań pomiarowych opartych na efekcie Halla.

Zastosowania przetworników z efektem Halla

Przetwornik z efektem Halla znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach dzięki swojej unikalnej zdolności do konwersji zjawisk magnetycznych na sygnały elektryczne. Niektóre z kluczowych zastosowań są następujące:

1. Transdukcja magnetyczno-elektryczna

Jednym z głównych zastosowań elementu z efektem Halla jest konwersja strumienia magnetycznego na sygnał elektryczny. Aby zmierzyć pola magnetyczne, materiał półprzewodnikowy umieszczany jest w polu magnetycznym interesującym. W rezultacie powstaje napięcie między końcami pasów półprzewodnikowych. To napięcie jest bezpośrednio proporcjonalne do gęstości pola magnetycznego, co pozwala na kwantyfikację natężenia pola magnetycznego.

Przetworniki z efektem Halla oferują wiele zalet. Wymagają minimalnej przestrzeni, co czyni je odpowiednimi do kompaktowych projektów. Dodatkowo, dostarczają ciągłego sygnału elektrycznego, który dokładnie odzwierciedla siłę pola magnetycznego. Niemniej jednak mają również istotną wadę: wysoką wrażliwość na wahania temperatury. Ta wrażliwość oznacza, że często wymagana jest kalibracja dla każdego indywidualnego scenariusza pomiarowego, aby zapewnić dokładne i niezawodne wyniki.

2. Pomiar przemieszczenia

Elementy z efektem Halla są również używane do pomiaru przemieszczenia elementów konstrukcyjnych. Na przykład, weźmy pod uwagę strukturę ferromagnetyczną zintegrowaną z magnesem trwałym.

W zastosowaniach do pomiaru przemieszczenia, przetwornik z efektem Halla umieszczany jest między biegunami magnesu trwałego. Gdy pozycja komponentu ferromagnetycznego w tym układzie pola magnetycznego się zmienia, zmienia się również siła pola magnetycznego doświadczana przez element z efektem Halla. Ta zmiana siły pola magnetycznego jest następnie tłumaczone na odpowiadającą jej zmianę napięcia wyjściowego przetwornika, co pozwala na precyzyjny pomiar przemieszczenia struktury ferromagnetycznej. Ta nietkliwa metoda dostarcza niezawodnego sposobu monitorowania ruchu części mechanicznych w różnych systemach, takich jak maszyny przemysłowe lub ramiona robotów.

3. Pomiar prądu

Przetwornik z efektem Halla oferuje bardzo wygodną i bezpieczną metodę pomiaru prądu elektrycznego, umożliwiając pomiar bez potrzeby jakiejkolwiek bezpośredniej fizycznej połączenia między obwodem przewodnika a miernikiem. Bez względu na to, czy chodzi o prąd przemienny (AC) czy stały (DC), gdy zastosowany jest do przewodnika, generuje pole magnetyczne wokół przewodnika. Siła tego pola magnetycznego jest bezpośrednio proporcjonalna do wielkości zastosowanego prądu. To pole magnetyczne, z kolei, indukuje siłę elektromotoryczną (emf) między pasami przetwornika z efektem Halla. Wielkość tej wyindukowanej EMF zależy od siły pola magnetycznego, która jest związana z prądem płynącym przez przewodnik. Poprzez pomiar tej wyindukowanej EMF, można dokładnie określić wartość prądu, co sprawia, że przetworniki z efektem Halla są idealne do czujników prądu w szerokim zakresie systemów elektrycznych, od sieci dystrybucji energii po urządzenia elektroniczne.

4. Pomiar mocy

Przetworniki z efektem Halla są również wykorzystywane do pomiaru mocy przewodnika elektrycznego. Gdy prąd przepływa przez przewodnik, generuje pole magnetyczne, z intensywnością pola bezpośrednio korelującą z wielkością prądu. To pole magnetyczne następnie indukuje napięcie między pasami przetwornika z efektem Halla. Używając obwodu mnożącego w połączeniu z przetwornikiem, napięcie wyjściowe obwodu mnożącego można uczynić proporcjonalnym do mocy rozpraszanej w przewodniku. Ten podejście pozwala na efektywne i dokładne pomiary mocy elektrycznej w różnych zastosowaniach, w tym w systemach energetycznych, gdzie monitorowanie zużycia i przepływu energii jest kluczowe dla zarządzania energią i optymalizacji systemu.