Kaj je Hall-efektov preobrazovalnik?

Element Hallovega učinka: Definicija in načelo

Definicija

Element Hallovega učinka je posebna vrsta pretvornika, zasnovan za merjenje magnetnih polj. Ker neposredno merjenje magnetnega polja ni enostavno, element Hallovega učinka predstavlja dragocen orod. Deluje tako, da pretvori magnetno polje v elektromotivno silo (EMF), električno količino, ki jo lahko zlahka meritamo z analognimi in digitalnimi merilniki. Ta pretvorba omogoča kvantifikacijo in analizo moči in lastnosti magnetnega polja v različnih aplikacijah.

Načelo delovanja pretvornika Hallovega učinka

Podlage delovanja pretvornika Hallovega učinka temeljijo na zanimivem fizikalnem pojavu. Ko se nosilec toka postavi v poprečno magnetno polje, se v nosilcu inducira elektromotivna sila (EMF) med robovi nosilca. Velikost generirane napetosti je neposredno sorazmerna s gostoto magnetnega toku, ki preteče skozi nosilec. Ta edinstvena lastnost nosilcev, kjer prisotnost magnetnega polja in električnega toka interagirata, da nastane merljiva napetost, se imenuje Hallov učinek.

Obeh kovin in polprevodnikov se pojavi Hallov učinek, pri čemer moč in obnašanje tega učinka odvisno je od gostote in mobilnosti njihovih elektronov. Za boljše razumevanje tega načela upoštevajte element Hallovega učinka, prikazan na spodnjem prikazu. V tej postavitvi je električni tok zagotovljen preko vodil 1 in 2, medtem ko je izhodna napetost meritve preko vodil 3 in 4. Ko ni uporabljenega magnetnega polja na nosilcu, sta vodila 3 in 4 na istem električnem potencialu.

Ko se na nosilec uporabi magnetno polje, se generira izhodna napetost med izhodnima vodiloma 3 in 4. Ta inducirana napetost je neposredno sorazmerna s močjo magnetnega polja. Matematično lahko ta odnos opisemo z naslednjo formulo za izhodno napetost VH:

I je tok v amperih, B pa gostota toku v Wb/m2

Pretvornik Hallovega učinka: Merilne zmogljivosti in uporabe

Merilne zmogljivosti

Tok, ki teče skozi nosilec, in moč magnetnega polja, se lahko določita z analizo izhodnih napetosti pretvornika Hallovega učinka. Vendar pa je v nosilcih EMF, generiran z Hallovim učinkom, tipično zelo majhen, kar predstavlja izziv za natančno merjenje. Nasprotno, polprevodniki, kot je germanij, proizvajajo relativno večjo EMF. Ta večja signal lahko zlahka merimo z pomočjo pomerilnikov s premikajočim se bobnom, kar polprevodnike čini praktičnejšimi za mnoge aplikacije, ki temeljijo na Hallovem učinku.

Uporabe pretvornikov Hallovega učinka

Pretvornik Hallovega učinka se široko uporablja v različnih področjih zaradi svoje edinstvene sposobnosti pretvarjanja magnetnih pojavov v električne signale. Nekateri ključni primeri uporabe so naslednji:

1. Pretvorba magnetnega v električno

Ena od glavnih uporab elementa Hallovega učinka je pretvorba magnetnega toka v električni signal. Za merjenje magnetnih polj se material polprevodnika postavi v zanimivo magnetno polje. Tako se na koncih polprevodniških trakov razvije napetost. Ta napetost je neposredno sorazmerna s gostoto magnetnega polja, kar omogoča kvantifikacijo moči magnetnega polja.

Pretvorniki Hallovega učinka ponujajo več prednosti. Zanj je potrebno minimalno prostora, kar jih čini primerne za kompaktna načrta. Poleg tega priskrbijo zvezni električni signal, ki natančno odraža moč magnetnega polja. Vendar pa imajo tudi značilen omejitev: visoka občutljivost na temperaturne variacije. To občutljivost pomeni, da je pogosto potrebna kalibracija za vsak posamezen merilni scenarij, da bi se zagotovili natančni in zanesljivi rezultati.

2. Merjenje odmika

Elementi Hallovega učinka se uporabljajo tudi za merjenje odmika strukturnih komponent. Na primer, upoštevajte feromagnetno strukturo, integrirano s stalnim magnetom.

V aplikacijah za merjenje odmika je pretvornik Hallovega učinka postavljen med poli stalnega magneta. Ko se položaj feromagnetne komponente znotraj tega magnetnega polja spremeni, spremeni tudi moč magnetnega polja, ki ga doživi element Hallovega učinka. Ta sprememba moči magnetnega polja se nato prevede v ustrezno spremembo izhodne napetosti pretvornika, kar omogoča natančno merjenje odmika feromagnetne strukture. Ta neinvazivna metoda ponuja zanesljiv način za spremljanje gibanja mehanskih delov v različnih sistemih, kot so industrijska oprema ali robni roki.

3. Merjenje toka

Pretvornik Hallovega učinka ponuja zelo ugoden in varen način za merjenje električnega toka, saj omogoča merjenje toka brez potrebe po nobeni neposredni fizični povezavi med vodilnim krogom in merilnikom. Ne glede na to, ali gre za izmenični tok (AC) ali enosmeren tok (DC), ko se uporabi na vodilu, generira magnetno polje okoli vodila. Moč tega magnetnega polja je neposredno sorazmerna s velikostjo uporabljenega toka. To magnetno polje nato inducira elektromotivno silo (EMF) med traki pretvornika Hallovega učinka. Velikost te inducirane EMF je odvisna od moči magnetnega polja, ki je povezana s tokom, ki teče skozi vodilo. S merjenjem te inducirane EMF se lahko natančno določi vrednost toka, kar pretvornike Hallovega učinka čini idealnimi za merjenje toka v širokem spektru električnih sistemov, od mrež za distribucijo energije do elektronskih naprav.

4. Merjenje moči

Pretvorniki Hallovega učinka se uporabljajo tudi za merjenje moči električnega vodila. Ko se tok prevede skozi vodilo, generira magnetno polje, katerega intenziteta je neposredno sorazmerna s velikostjo toka. To magnetno polje nato inducira napetost med traki pretvornika Hallovega učinka. S pomočjo množilnega kruga v kombinaciji s pretvornikom se lahko izhodna napetost množilnega kruga naredi sorazmerna s močjo, ki se izgubi v vodilu. Ta pristop omogoča učinkovito in natančno merjenje električne moči v različnih aplikacijah, vključno z električnimi energetskimi sistemi, kjer je za upravljanje z energijo in optimizacijo sistema ključno spremljanje porabe in pretoka moči.