Hall-effect werd in 1879 ontdekt door Edwin Hall, maar het duurde vele jaren voordat de technologische ontwikkelingen het mogelijk maakten dat geïntegreerde schakelingen ten volle gebruik konden maken van dit fenomeen. Vandaag de dag bieden Hall-effect sensor IC’s een handige manier om nauwkeurige stroommetingen te doen waarbij de elektrische isolatie tussen het gemeten stroompad en het meetcircuit behouden blijft.
Aanbevolen niveau
Beginner
Van Lorentz naar Hall
Het Hall-effect is een uitbreiding van de Lorentz-kracht, die de kracht beschrijft die wordt uitgeoefend op een geladen deeltje – zoals een elektron – dat door een magnetisch veld beweegt. Als het magnetisch veld loodrecht op de bewegingsrichting van het elektron staat, ondervindt het elektron een kracht die loodrecht staat op zowel de bewegingsrichting als de richting van het magnetisch veld.
Hall-effect heeft betrekking op de situatie waarin de lorentzkracht inwerkt op de elektronen die door een geleider bewegen, zodat zich tussen de twee zijden van de geleider een verschil in elektrische potentiaal ontwikkelt – met andere woorden, een spanning.
Merk op dat de pijlen in dit tweede diagram de richting van de conventionele stroom aangeven, wat betekent dat de elektronen in de tegenovergestelde richting bewegen. De richting van de lorentzkracht wordt bepaald door een rechterhandregel die rekening houdt met de richting waarin het elektron zich ten opzichte van het magnetisch veld beweegt. In het eerste diagram beweegt het elektron naar rechts, en de lorentzkracht is naar boven. In het tweede diagram, met de elektronen die naar links stromen, is de lorentzkracht neerwaarts, en dus hoopt de negatieve lading zich op naar de onderrand van de geleider. Het resultaat is een potentiaalverschil dat zich ontwikkelt tussen de boven- en onderrand van de geleider, waarbij de bovenrand positiever is dan de onderrand. Dit potentiaalverschil wordt de Hall-spanning genoemd:
$V_{Hall}=-\frac{IB}{eρt}$
Deze vergelijking, die geldt voor een stroomvoerende plaat, vertelt ons dat de Hall-spanning gerelateerd is aan de amplitude van de stroom die door de geleider vloeit (I), de magnetische veldsterkte (B), de elementaire elektronlading (e), het aantal elektronen per volume-eenheid (ρ), en de dikte van de plaat (t).
Hantering van het Hall-effect
De spanningen die via het Hall-effect worden opgewekt zijn klein in verhouding tot de ruis, offsets en temperatuureffecten die typisch van invloed zijn op een schakeling, en daarom waren praktische sensoren op basis van het Hall-effect niet wijdverbreid totdat de vooruitgang in de halfgeleidertechnologie sterk geïntegreerde componenten mogelijk maakte waarin een Hall-element en extra schakelingen zijn opgenomen die nodig zijn om de Hall-spanning te versterken en te conditioneren. Hall-effectsensoren zijn echter nog steeds beperkt in hun vermogen om kleine stromen te meten. De ACS712 van Allegro MicroSystems heeft bijvoorbeeld een gevoeligheid van 185 mV/A. Dit betekent dat een stroom van 10 mA een uitgangsspanning van slechts 1,85 mV zou opleveren. Deze spanning kan aanvaardbaar zijn als de schakeling een lage ruisvloer heeft, maar als een 2 Ω-weerstand in het stroompad zou kunnen worden opgenomen, zou de resulterende uitgangsspanning van 20 mV een grote verbetering zijn.
Het Hall-effect is relevant voor een verscheidenheid van sensortoepassingen; apparaten die zijn gebaseerd op deze relatief eenvoudige relatie tussen stroom, magnetisch veld en spanning kunnen worden gebruikt om positie, snelheid en magnetische veldsterkte te meten. In dit artikel zullen we ons echter richten op apparaten die stroom meten via de Hall-spanning die wordt gegenereerd wanneer een magnetisch veld dat wordt geïnduceerd door de gemeten stroom wordt geconcentreerd in de richting van een geïntegreerd Hall-effectelement.
Voors en tegens
De prestatiekenmerken varià “ren van de ene Hall-effect-stroomsensor tot de andere, dus het is moeilijk om de voor- en nadelen van Hall-effectsensoren ten opzichte van de andere veelgebruikte stroomsensortechniek precies samen te vatten; namelijk het inbrengen van een precisieweerstand in het stroompad en het meten van de resulterende spanningsval met een differentiaalversterker. In het algemeen echter worden Hall-effectsensoren gewaardeerd omdat zij “niet opdringerig” zijn en omdat zij elektrische isolatie tussen het stroompad en het meetcircuit verschaffen. Deze apparaten worden als niet opdringerig beschouwd omdat er geen significante hoeveelheid weerstand in het stroompad wordt ingebracht, en het te meten circuit zich dus gedraagt alsof de sensor niet aanwezig is. Een bijkomend voordeel is dat de sensor een minimale hoeveelheid stroom verbruikt; dit is vooral van belang bij het meten van grote stromen.
Wat de nauwkeurigheid betreft, kunnen de momenteel beschikbare Hall-effectsensoren een uitgangsfout bereiken van zo laag als 1%. Een goed ontworpen resistieve stroom-sense circuit zou dit kunnen overtreffen, maar 1% zou over het algemeen voldoende zijn in de hoge-stroom/high-voltage toepassingen waarvoor Hall-effect apparaten bijzonder geschikt zijn.
De nadelen van Hall-effect sensoren zijn een beperkt frequentiebereik en hogere kosten. De ACS712 biedt een interne bandbreedte van 80 kHz, en de Melexis MLX91208, die op de markt wordt gebracht als een “breedband” apparaat, wordt gespecificeerd tot 250 kHz. Een resistieve stroomdetectieschakeling met een hogesnelheidsversterker zou daarentegen tot ver in het megahertz-bereik kunnen werken. Bovendien, zoals hierboven besproken, is het Hall-effect inherent beperkt met betrekking tot het meten van kleine stromen.
Isolatie
Een van de belangrijkste voordelen van Hall-effectsensoren is de elektrische isolatie, die in een circuit- of systeemontwerpcontext vaak galvanische isolatie wordt genoemd. Het principe van galvanische isolatie komt aan de orde wanneer een ontwerp vereist dat twee schakelingen zodanig met elkaar communiceren dat er geen directe stroom van elektrische stroom kan lopen. Een eenvoudig voorbeeld is wanneer een digitaal signaal door een opto-isolator wordt geleid, die de spanningspulsen omzet in lichtpulsen en zo de gegevens optisch in plaats van elektrisch overbrengt. Een van de belangrijkste redenen voor het implementeren van galvanische isolatie is het voorkomen van problemen in verband met aardlussen:
.png)
Basisprincipes voor het ontwerpen van schakelingen gaan ervan uit dat onderling verbonden componenten een gemeenschappelijk aardknooppunt delen, waarvan wordt aangenomen dat dit zich op 0 V bevindt. In werkelijkheid echter bestaat het “aardknooppunt” uit geleiders met een weerstand die niet nul is, en deze geleiders dienen als een retourpad voor de stroom die uit de schakeling terugvloeit naar de stroombron. De wet van Ohm herinnert ons eraan dat stroom en weerstand spanning maken, en deze spanningsverliezen in het retourpad betekenen dat “aarde” in één deel van de schakeling of het systeem niet op hetzelfde potentiaal is als “aarde” in een ander deel. Deze verschillen in aardpotentiaal kunnen leiden tot problemen variërend van verwaarloosbaar tot catastrofaal.
Door directe stroom tussen twee circuits te voorkomen, stelt galvanische isolatie circuits met verschillende aardpotentialen in staat om succesvol te communiceren. Dit is met name relevant voor stroomdetectietoepassingen: een laagspanningssensor en verwerkingscircuit moeten soms grote, zeer variabele stromen in bijvoorbeeld een motoraandrijvingscircuit bewaken. Deze grote, snel veranderende stromen zullen leiden tot aanzienlijke spanningsfluctuaties in het retourpad. Met een Hall-effectsensor kan het systeem zowel de aandrijfstroom bewaken als het uiterst nauwkeurige sensorcircuit beschermen tegen deze nadelige aardfluctuaties.
Common-Mode Spanning
Een andere belangrijke toepassing voor Hall-effectsensoren is stroommetingen waarbij hoge spanningen optreden. In een resistieve stroomdetectieschakeling meet een verschilversterker het spanningsverschil tussen de ene kant van een weerstand en de andere kant. Er ontstaat echter een probleem wanneer deze spanningen groot zijn ten opzichte van het aardpotentiaal:
Echte versterkers hebben een beperkt “common-mode bereik”, wat betekent dat het apparaat niet goed zal functioneren wanneer de ingangsspanningen, hoewel klein ten opzichte van elkaar, te groot zijn ten opzichte van de aarde. Het common-mode bereik van stroomdetectieversterkers reikt gewoonlijk niet verder dan 80 of 100 V. Hall-effectsensoren daarentegen kunnen stroom in spanning omzetten zonder verwijzing naar het aardpotentiaal van het gemeten circuit. Bijgevolg, zolang de spanningen niet groot genoeg zijn om fysieke schade te veroorzaken, heeft common-mode spanning geen invloed op de werking van een Hall-effect apparaat.