Sensori ad effetto Hall: principio di funzionamento, 5 applicazioni importanti

Contenuto:

  • Introduzione
  • Sensori magnetici
  • Sensori di effetto Hall
  • Cos'è la tensione di Hall (VH)?
  • Coefficiente di Hall (RH)
  • Costruzione di sensori ad effetto Hall
  • Simbolo del sensore ad effetto Hall
  • Principio di funzionamento dei sensori ad effetto Hall
  • Esperimento effetto Hall
  • Analogico e digitale Sensore ad effetto Hall
  • Tipo di sensori a effetto Hall
  • Applicazioni dei sensori ad effetto Hall

Sensori magnetici

I sensori magnetici sono dispositivi in ​​grado di rilevare e analizzare i campi magnetici generati da magnete o corrente. Possono essere utilizzati per diversi tipi di applicazioni come per rilevare il cambiamento nella posizione e nell'angolo di un campo magnetico, per rilevare il cambiamento di forza o la direzione del campo magnetico applicato, ecc.

Esistono vari tipi di sensori magnetici come il sensore ad effetto Hall (interruttori Hall, sensori Hall lineari, ecc.) Utilizzato per rilevare una variazione dell'intensità del campo magnetico, sensore Magneto Resistivo utilizzato per rilevare un cambiamento nella direzione del campo magnetico , sensori angolari utilizzati per rilevare una variazione dell'angolo di un campo magnetico, sensori 3D Hall e sensori magnetici di velocità. I sensori ad effetto Hall vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni come sensori di prossimità, misurazione di posizione e velocità, ecc.

I sensori magnetici sono generalmente un dispositivo a stato solido che è molto richiesto oggi un giorno a causa della sua alta precisione e accuratezza, funzionamento senza contatto, costi di manutenzione relativamente bassi, design compatto, ecc. Ora un giorno sensori magnetici senza nucleo dedicati a diversi tipi di sono disponibili applicazioni industriali, ad esempio i dispositivi a effetto Hall sigillati sono impermeabili e sono realizzati in modo tale da resistere anche a qualsiasi vibrazione.

I sensori magnetici sono ampiamente utilizzati nei sistemi automobilistici, in particolare per analizzare la posizione dei sedili dell'auto, delle cinture di sicurezza e per il controllo del sistema airbag e anche per il rilevamento della velocità di rotazione delle ruote per il sistema antibloccaggio (ABS).

Sensori di effetto Hall

I sensori ad effetto Hall sono sensori magnetici la cui uscita dipende dal campo magnetico o dalla densità del flusso magnetico attorno al sensore magnetico.

  • La parola "Hall" deriva da Il dottor Edwin Hall, che ha scoperto questo effetto Hall per la prima volta.
  • Se c'è un campo magnetico esterno verticale all'oggetto attraverso il quale passa la corrente, si genera una forza elettromotrice nella direzione perpendicolare al campo magnetico e alla corrente.
Sensore ad effetto Hall
Sensore ad effetto Hall dispositivo 1880

Cos'è la tensione di Hall (VH)?

Se un campo magnetico esterno viene applicato nel sensore magnetico, viene attivato. La tensione di uscita del sensore ad effetto Hall è proporzionale alla forza del campo magnetico applicato che passa. Dopo che una particolare soglia di densità del flusso magnetico viene superata dal campo esterno, viene generata una tensione di uscita, comunemente nota come Tensione di Hall (VH).

Coefficiente di Hall (RH)

La quantità della differenza di potenziale per unità di spessore della striscia metallica nell'Effetto Hall distribuita dal prodotto dell'intensità magnetica e della densità di corrente longitudinale.

Le unità del coefficiente di Hall RH sono generalmente trasmessi come m3/ C o Ω · cm / G.

Costruzione di sensori a effetto Hall:

Progettazione del sensore di Hall

I sensori ad effetto Hall sono generalmente costituiti da un pezzo rettangolare di semiconduttore come l'indio antimonite (InSb) o arseniuro di gallio (GaAs) noto come sonda Hall montata su un piastra in alluminio e rivestita completamente all'interno della testa della sonda. Un'impugnatura della sonda costituita da un materiale non magnetico è collegata alla testa della sonda in modo tale che il piano della piastra rettangolare di semiconduttore sia perpendicolare all'impugnatura della sonda.

Quando il dispositivo viene attivato, si verifica un flusso continuo di corrente attraverso il semiconduttore. Se le linee del campo magnetico esterno sono ad angolo retto rispetto alla testa della sonda in modo tale che le linee archiviate passano ad angolo retto attraverso il sensore della sonda, si origina una tensione nota come tensione "effetto Hall" e il dispositivo fornisce una lettura di densità del flusso magnetico (B) del campo esterno.

Simbolo del sensore ad effetto Hall:

Simbolo del sensore ad effetto Hall, immagine di credito - Grahamatwp at Wikipedia in ingleseSimbolo del sensore Hall comuneCC BY-SA 3.0

Cos'è il trasduttore ad effetto Hall?

Principio di funzionamento dei sensori ad effetto Hall

  • Il sensore ad Effetto Hall funziona principalmente per l'effetto della Forza di Lorentz (è la forza che subisce una particella carica a causa di un campo elettrico o magnetico, cioè semplicemente un elettromagnetico campo).
  • In presenza di un campo magnetico esterno esistente di ampiezza sufficiente, gli elettroni nella lastra semiconduttrice vengono deviati verso un bordo della lastra, cioè i fori e gli elettroni si spostano verso entrambi i lati della lastra a causa della forza di Lorentz che agisce su di essi.
  • Per questo, un lato del semiconduttore è caricato negativamente e il lato opposto risulta essere caricato positivo. Questo produce un gradiente di tensione attraverso i due lati opposti della lastra rettangolare a causa dell'accumulo di cariche opposte su questi due lati. Questa tensione è nota come tensione di Hall (VH), e l'effetto della generazione di questa tensione Hall misurabile utilizzando un campo magnetico esterno è noto come effetto Hall.
  • Per generare una differenza di potenziale tale da produrre una tensione misurabile, le linee del campo magnetico esterno devono essere ad angolo retto rispetto al piano in cui la corrente scorre attraverso la lastra. Inoltre, è necessario fornire una polarità corretta affinché i sensori a effetto Hall funzionino.
Trasduttore ad effetto Hall funzionante
  • Quando gli elettroni e le lacune si allontanano l'uno dall'altro, viene generato un gradiente di potenziale e la separazione aumenta fino a quando la forza dovuta al campo elettrico bilancia la forza prodotta dal campo magnetico. Quando entrambe le forze si bilanciano, la corrente non cambia ed è stata calcolata la tensione di Hall rilevata in questo punto e da questa densità di flusso magnetico (B).                       
  • Se la tensione di uscita dipende linearmente dalla densità del flusso magnetico, allora lo chiamiamo sensori lineari ad effetto Hall, e se c'è una brusca diminuzione della tensione di uscita a diversa densità di flusso magnetico, allora è chiamato sensore a effetto Hall soglia.
  • Abbiamo sentito parlare di sensori induttivi che rispondono a un campo magnetico mutevole poiché induce una corrente in una bobina di filo e quindi genera una tensione nella sua uscita. Pertanto i sensori induttivi possono rilevare solo campi magnetici statici (non mutevoli) mentre i sensori ad effetto Hall possono rilevare sia campi magnetici mutevoli che non mutevoli.
  • Il sensore ad effetto Hall può fornire informazioni sul tipo di polo magnetico utilizzato per generare la tensione e anche l'ampiezza della densità del flusso magnetico esterno (B). Utilizzando un gruppo di sensori, possiamo trovare la posizione relativa del magnete esterno utilizzato.
  • La tensione di uscita del sensore ad effetto Hall è generalmente di una grandezza piuttosto piccola, come pochi micro-volt anche quando un forte campo magnetico esterno viene applicato attraverso il sensore. Pertanto, la maggior parte dei sensori a effetto Hall disponibili in commercio sono costruiti con un amplificatore CC integrato e regolatori di tensione per migliorare la sensibilità del sensore e l'ampiezza della tensione di uscita.

Esperimento effetto Hall

Sensore di corrente ad effetto Hall ad anello chiuso
Image credit: DracheschreckSensore di corrente ad effetto hall ad anello chiusoCC BY-SA 3.0

Sensore ad effetto Hall analogico e digitale

L'uscita del sensore ad effetto Hall può essere lineare (analogico) o digitale. L'uscita del sensore lineare ad effetto Hall è direttamente proporzionale al campo magnetico esterno, cioè la densità del flusso magnetico che passa attraverso il sensore e l'uscita è presa dall'uscita del differenziale OP-AMP. I sensori lineari (analogici) a effetto Hall hanno un'uscita di tensione continua che cambia in base alla forza dei cambiamenti del campo magnetico esterno.

Formula del sensore di effetti Hall:

L'uscita del sensore lineare ad effetto Hall può essere espressa come:

Dove,

  • VH è il voltaggio di Hall
  • RH è il coefficiente di effetto Hall
  • Io è la corrente che scorre attraverso il sensore (lastra semiconduttrice)
  • t è lo spessore del sensore
  • B è la densità del flusso magnetico esterno

Nel caso del sensore digitale ad effetto Hall l'uscita è presa dall'uscita dell'OPAMP, che a sua volta è collegato con un trigger di Schmitt con built-in isteresi che riduce le oscillazioni nella tensione di uscita. In questo caso, solo quando l'intensità del campo esterno è maggiore di un valore specifico nel dispositivo, il dispositivo passa alla condizione ON dalla condizione OFF.

Tipo di sensori a effetto Hall:

A seconda del tipo di polo magnetico esterno richiesto per il loro funzionamento, i sensori ad effetto Hall sono di due tipi.

  1. Bipolare
  2. unipolare

Le due configurazioni di rilevamento più comuni in un sensore a effetto Hall che utilizza un singolo magnete sono il rilevamento frontale e il rilevamento laterale. Nel rilevamento laterale, è necessario spostare il magnete con un movimento laterale davanti alla faccia dell'elemento ad effetto Hall. Durante il rilevamento frontale il magnete si avvicina e si allontana dall'elemento hall in modo perpendicolare al piano dell'elemento.

Sensore ad effetto Hall utilizzato nella ventola del motore
Immagine di creditoФигушкиFrizione con sensore ad effetto HallCC BY 2.0

Applicazioni dei sensori a effetto Hall:

  • Sensore di posizione: Quando si opera in modalità on/off, cioè avendo un'uscita digitale, rilevando il verificarsi del magnetico Materiale è una delle importanti applicazioni industriali dei sensori ad effetto Hall.
  • Trasformatori DC: Il sensore ad effetto Hall viene utilizzato per misurare il flusso magnetico CC e, di conseguenza, è possibile calcolare la corrente CC.
  • Interruttore della tastiera: Per alcune tastiere di computer vengono utilizzati interruttori effetto Hall. Ma a causa del suo costo relativamente elevato, è limitato al settore aerospaziale e militare per la loro elevata affidabilità.
  • Indicatore del livello del carburante: Il sensore ad effetto Hall rileva la posizione di un elemento flottante utilizzando il rilevamento della posizione e utilizzato come indicatore del livello del carburante per automobili.
  • Tapis roulant elettrico: I sensori Hall vengono utilizzati qui per i sensori di velocità e anche per l'arresto di emergenza a causa di una caduta accidentale. La cintura dell'utente nel tapis roulant è attaccata a un cordino che a sua volta è fissato a un magnete. In caso di caduta accidentale dell'utente, il magnete si stacca e si verifica un'interruzione dell'alimentazione che arresta la macchina.

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