Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της ανίχνευσης ρεύματος της Hall-Effect και της ανίχνευσης θέσης

Η χρήση του αποτελέσματος Hall για μέτρηση ρεύματος είναι εγγενώς ισχυρή, αλλά μπορεί να είναι ένα ακόμη πιο ευέλικτο εργαλείο όταν πρόκειται για την ανίχνευση θέσης.

Η αίσθηση, σε όλες τις μορφές της, είναι θεμελιώδης για πολλές εφαρμογές. Ασχολείται πάντοτε με ένα υλικό που λειτουργεί ως μετατροπέας, για τη μετατροπή μιας περιουσίας σε άλλη. Στα ηλεκτρονικά, το αισθητήριο στοιχείο θα έχει φυσικές ιδιότητες που αλλάζουν ως αποτέλεσμα της δράσης της ανίχνευσης, όπως η αντίσταση ή η αντίστασή του επιτρέποντας τη μέτρηση μιας αλλαγής είτε στο ρεύμα είτε στην τάση.

Hall Effect

Το 1879, ο Edwin Hall ανακάλυψε ότι όταν ένας αγωγός ή ημιαγωγός με ρεύμα που ρέει σε μία κατεύθυνση εισήχθη κάθετα σε ένα μαγνητικό πεδίο, μια τάση θα μπορούσε να μετρηθεί σε ορθές γωνίες με τη διαδρομή ρεύματος. Είναι καλά εδραιωμένο ότι η επίδραση Hall προκύπτει από την αλληλεπίδραση φορτισμένων σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια, σε απόκριση σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Το φαινόμενο Hall, όπως εφαρμόζεται στους αισθητήρες, εκδηλώνεται είτε ως μια μετρήσιμη διαφορά τάσεως διαμέσου ενός αγωγού διαμέσου του οποίου πρέπει να υπάρχει ένα σταθερό ρεύμα είτε ως μια μετρήσιμη διαφορά ρεύματος διαμέσου ενός αγωγού μέσω του οποίου πρέπει να ρέει μία σταθερή τάση (Σχήμα 1) . Η διαφορά τάσης είναι ανάλογη με την ισχύ ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό σημαίνει ότι το φαινόμενο Hall μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο πολύ συγκεκριμένους τρόπους, παρόλο που το υποκείμενο αποτέλεσμα είναι το ίδιο και στις δύο περιπτώσεις.

1. Από την άποψη των αισθητήρων, το φαινόμενο Hall είναι είτε μια μετρήσιμη διαφορά τάσης σε έναν αγωγό μέσω του οποίου πρέπει να υπάρχει ένα σταθερό ρεύμα είτε μια μετρήσιμη διαφορά ρεύματος σε έναν αγωγό διαμέσου του οποίου πρέπει να ρέει μια σταθερή τάση.

Το επίπεδο σήματος λόγω της μεταβολής του πεδίου, σε σχέση με τον θόρυβο του περιβάλλοντος, είναι μικρό (εύρος μV). Επομένως, απαιτεί πολύ εξελιγμένες διαδρομές σήματος για να το χρησιμοποιήσει.

Χωρίς να θέλουμε να υποτιμήσουμε την ανακάλυψη του Edwin Hall με οποιονδήποτε τρόπο, το αποτέλεσμα είναι πραγματικά μια επέκταση της χρήσης της δύναμης Lorentz, η οποία περιγράφει την αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων σε ένα φορτίο σημείου λόγω της μεταβολής του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Με απλά λόγια, στην περίπτωση του αποτελέσματος Hall, η δύναμη Lorentz περιγράφει την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου σε ένα φορτισμένο σωματίδιο, συγκεκριμένα την κατεύθυνση που θα αναγκαστεί να πάρει καθώς περνά μέσα από έναν αγωγό εκτεθειμένο σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η φυσική κίνηση έχει ως αποτέλεσμα περισσότερο ή λιγότερο φορτίο στην επιφάνεια του αγωγού, με αποτέλεσμα τη διαφορά δυναμικού που είναι γνωστή ως η τάση Hall.

Hall-Effect Ανίχνευση ρεύματος

Το γεγονός ότι το φαινόμενο Hall εξαρτάται από ένα μαγνητικό πεδίο σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τεχνολογία χωρίς επαφή. Έτσι, δεν είναι ενοχλητικό, σε αντίθεση με τον πιο συνηθισμένο τρόπο ανίχνευσης ρεύματος, ο οποίος συνίσταται στη χρήση ενός αντιστάτη χαμηλής τιμής ως διακλάδωση και στη μέτρηση της πτώσης τάσης κατά μήκος αυτού. Η χρήση του αποτελέσματος Hall για μέτρηση ρεύματος είναι εγγενώς ισχυρή σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, διότι δεν βασίζεται στο δυναμικό του εδάφους ως αναφορά.

Με έναν συμβατικό αισθητήρα ρεύματος Hall-effect, αυτό σημαίνει ότι τοποθετείτε τον αισθητήρα κάθετα στο μαγνητικό πεδίο και χρησιμοποιώντας έναν συγκεντρωτή, συνήθως έναν σιδηρομαγνητικό πυρήνα που έχει σχήμα είτε δακτυλίου είτε τετραγώνου, τοποθετημένος γύρω από τον αγωγό που φέρει το ρεύμα που πρόκειται να μετρηθεί (Εικ. 2) . Ο αισθητήρας θα διατηρείται τυπικά σε ένα μικρό διάκενο αέρα που σχηματίζεται μεταξύ των δύο άκρων του σιδηρομαγνητικού πυρήνα.

2. Ακολουθεί μια σύγκριση του τρόπου με τον οποίο είναι τοποθετημένοι οι συμβατικοί αισθητήρες ρεύματος Hall-effect και Hall-IMC.

Με αισθητήρα ρεύματος IMC-Hall, το στοιχείο ανίχνευσης τοποθετείται παράλληλα με την ροή ρεύματος (Εικόνα 2, πάλι) . Στην περίπτωση αυτή, δεν απαιτείται σιδηρομαγνητικός πυρήνας. Εντούτοις, μπορεί να είναι απαραίτητη μια ασπίδα για ασυλία. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του ρεύματος που ρέει σε μια ράβδο διαύλου ή σε ένα κομμάτι PCB απλά τοποθετώντας τον αισθητήρα πάνω από τη ράβδο ή την τροχιά. Αυτός ο τύπος αισθητήρα ενεργοποιείται από την τεχνολογία IMC-Hall χρησιμοποιώντας το ενσωματωμένο μαγνητικό συμπυκνωτή (IMC) που αναπτύχθηκε από την Melexis (βλ. Παρακάτω) .

Βασικά, είναι το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από το ρεύμα που ανιχνεύεται χάρη στο φαινόμενο Hall, παρά στο ίδιο το ρεύμα.

Αισθητήρας θέσης Hall Effect

Η ίδια αρχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της παρουσίας, της απουσίας ή της εγγύτητας ενός μαγνητικού πεδίου. Αποτελεσματικά, η τάση Hall που προκύπτει από την κίνηση ενός μαγνήτη πάνω από τους αισθητήρες μπορεί να ανιχνευθεί, να ενισχυθεί και να υποστεί επεξεργασία. Αυτό δίνει την ευκαιρία να χρησιμοποιήσετε το Hall effect για να ανιχνεύσετε τη θέση ή ακόμα και τον προσανατολισμό των αντικειμένων σε σχέση με τον αισθητήρα.

Σε μια απλή εφαρμογή, αυτό μπορεί να είναι σχετικά χονδροειδές, όπως όταν ένας φορητός υπολογιστής είναι ανοιχτός ή κλειστός. Ή μπορεί να είναι πιο περίπλοκο όταν χρησιμοποιείται για την ανίχνευση γραμμικής κίνησης ή περιστροφής, όπως η μεταβολή της θέσης ενός κινητού αντικειμένου (Εικ. 3) . Από την άποψη αυτή, η χρήση του Hall effect για την ανίχνευση θέσης είναι πολύ πιο ευπροσάρμοστη από τη χρήση του ως αισθητήρα ρεύματος.

Ο ολοκληρωμένος μαγνητικός συμπυκνωτής (IMC)

Ένα από τα μειονεκτήματα των περισσότερων αισθητήρων Hall Effect, το οποίο σχετίζεται με τον τρόπο που λειτουργεί το αποτέλεσμα, είναι ότι η πλάκα Hall που χρησιμοποιείται για να αισθανθεί το πεδίο περιορίζεται σε έναν μόνο άξονα.

Για να αντιμετωπίσει αυτό το μειονέκτημα, η Melexis ανέπτυξε το Ολοκληρωμένο Μαγνητικό Συμπυκνωτή ή το IMC, το οποίο καθιστά το Hall αποτέλεσμα πολύ πιο ευέλικτο. Το IMC επιτρέπει στους αισθητήρες Hall-effect, ενώ παραμένουν σε ένα επίπεδο, να ανιχνεύουν μαγνητικά πεδία από τους άξονες Χ, Υ και Ζ (Εικ. 4) . Κατά συνέπεια, τα οφέλη της εφαρμογής είναι πολλαπλά, συμπεριλαμβανομένης της ευελιξίας του προσανατολισμού του αισθητήρα.

4. Ο ενσωματωμένος μαγνητικός συγκεντρωτής επιτρέπει στους αισθητήρες Hall-effect, ενώ παραμένουν σε ένα επίπεδο, να ανιχνεύουν μαγνητικά πεδία από τους άξονες Χ, Υ και Ζ.

Hall-Effect Sensing σε εφαρμογές αυτοκινήτων

Με την ενσωμάτωση της τεχνολογίας IMC, πολλές εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία μπορούν να χρησιμοποιήσουν το φαινόμενο Hall. Λειτουργώντας σε τρεις διαστάσεις, ο αισθητήρας Hall-effect μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει τη θέση των πεντάλ, την περιστροφή της στήλης πηδαλιουχίας και την κατάσταση του μοχλού φρένων και τη θέση των ηλεκτρικά καθισμάτων.

Μπορεί επίσης να εφαρμοστεί κάτω από την κουκούλα για την παρακολούθηση των κινητών ανταλλακτικών αντλιών και κινητήρων, καθώς και για τη μέτρηση του ρεύματος που αντλείται από ηλεκτροφόρα μέρη του κινητήρα, όπως ο μετατροπέας, το σύστημα παρακολούθησης της μπαταρίας (BMS) (OBC).

συμπέρασμα

Βασικά, το φαινόμενο Hall-effect μπορεί να αξιοποιηθεί με πολλούς χρήσιμους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης της τρέχουσας ανίχνευσης και της θέσης. Παρά τις μεγάλες προκλήσεις, όπως ο χαμηλός λόγος σήματος προς θόρυβο ή ο αντίκτυπος του αδέσποτου πεδίου, η βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών κατάφερε να αναπτύξει αξιόπιστες και ακριβείς λύσεις ανίχνευσης βασισμένες στο φαινόμενο Hall.

Ειδικότερα, η προσθήκη ενός ισχυρού αναλογικού εμπρόσθιου άκρου και ψηφιακής διαδρομής σήματος, μαζί με ιδιόκτητες τεχνολογίες όπως το IMC-Hall της Melexis, σημαίνει ότι το φαινόμενο Hall μπορεί να εφαρμοστεί στην τρέχουσα μέτρηση και εντοπισμό θέσης - ακόμη και σε σκληρά περιβάλλοντα όπως η αυτοκινητοβιομηχανία βιομηχανία.

Για περισσότερες πληροφορίες, επικοινωνήστε μαζί μας στο sales@xfullstar.com