L’effetto Hall fu scoperto da Edwin Hall nel 1879, ma ci vollero molti anni prima che gli sviluppi tecnologici rendessero possibile ai circuiti integrati di trarre pieno vantaggio da questo fenomeno. Oggi, i circuiti integrati con sensori a effetto Hall offrono un modo conveniente per ottenere misurazioni accurate della corrente che mantengono l’isolamento elettrico tra il percorso della corrente misurata e il circuito di misurazione.
Livello consigliato
Principiante
Da Lorentz a Hall
L’effetto Hall è un’estensione della forza di Lorentz, che descrive la forza esercitata su una particella carica – come un elettrone – che si muove attraverso un campo magnetico. Se il campo magnetico è orientato perpendicolarmente alla direzione del moto dell’elettrone, l’elettrone sperimenta una forza che è perpendicolare sia alla direzione del moto che all’orientamento del campo magnetico.
L’effetto Hall si riferisce alla situazione in cui la forza di Lorentz agisce sugli elettroni che si muovono attraverso un conduttore, in modo tale che una differenza di potenziale elettrico – in altre parole, una tensione – si sviluppa tra i due lati del conduttore.
Nota che le frecce in questo secondo diagramma indicano la direzione del flusso di corrente convenzionale, cioè gli elettroni viaggiano nella direzione opposta. La direzione della forza di Lorentz è governata da una regola della mano destra che tiene conto della direzione in cui l’elettrone sta viaggiando rispetto al campo magnetico. Nel primo diagramma, l’elettrone si sta muovendo verso destra, e la forza di Lorentz è verso l’alto. Nel secondo diagramma, con gli elettroni che scorrono verso sinistra, la forza di Lorentz è verso il basso, e quindi la carica negativa si accumula verso il bordo inferiore del conduttore. Il risultato è una differenza di potenziale che si sviluppa tra il bordo superiore e inferiore del conduttore, con il bordo superiore più positivo di quello inferiore. Questa differenza di potenziale è chiamata tensione di Hall:
$V_{Hall}=-\frac{IB}{eρt}$
Questa equazione, che si applica a una piastra che trasporta corrente, ci dice che la tensione di Hall è legata all’ampiezza della corrente che scorre attraverso il conduttore (I), l’intensità del campo magnetico (B), la carica elementare degli elettroni (e), il numero di elettroni per unità di volume (ρ), e lo spessore della piastra (t).
Sfruttamento dell’effetto Hall
Le tensioni generate tramite l’effetto Hall sono piccole rispetto al rumore, alle compensazioni e agli effetti della temperatura che tipicamente influenzano un circuito, e quindi i sensori pratici basati sull’effetto Hall non sono stati diffusi fino a quando i progressi nella tecnologia dei semiconduttori hanno permesso di ottenere componenti altamente integrati che incorporano un elemento Hall e i circuiti aggiuntivi necessari per amplificare e condizionare la tensione Hall. Ancora, però, i sensori a effetto Hall sono limitati nella loro capacità di misurare piccole correnti. Per esempio, l’ACS712 di Allegro MicroSystems ha una sensibilità di 185 mV/A. Ciò significa che una corrente di 10 mA produrrebbe una tensione di uscita di soli 1,85 mV. Questa tensione può essere accettabile se il circuito ha un basso rumore di fondo, ma se una resistenza di 2 Ω potesse essere inclusa nel percorso della corrente, la tensione di uscita risultante di 20 mV sarebbe un grande miglioramento.
L’effetto Hall è rilevante per una varietà di applicazioni di sensori; dispositivi basati su questa relazione relativamente semplice tra corrente, campo magnetico e tensione possono essere utilizzati per misurare la posizione, la velocità e l’intensità del campo magnetico. In questo articolo, tuttavia, ci concentreremo sui dispositivi che misurano la corrente attraverso la tensione di Hall generata quando un campo magnetico indotto dalla corrente misurata si concentra verso un elemento integrato ad effetto Hall.
Pro e contro
Le caratteristiche prestazionali variano da un sensore di corrente ad effetto Hall all’altro, quindi è difficile riassumere con precisione i vantaggi e gli svantaggi del rilevamento ad effetto Hall rispetto all’altra tecnica comune di rilevamento della corrente, ovvero l’inserimento di un resistore di precisione nel percorso della corrente e la misurazione della caduta di tensione risultante con un amplificatore differenziale. In generale, però, i sensori a effetto Hall sono apprezzati per essere “non intrusivi” e per fornire un isolamento elettrico tra il percorso della corrente e il circuito di misurazione. Questi dispositivi sono considerati non intrusivi perché nessuna quantità significativa di resistenza è inserita nel percorso della corrente, e quindi il circuito misurato si comporta quasi come se il sensore non fosse presente. Un ulteriore vantaggio è che la potenza dissipata dal sensore è minima; questo è particolarmente importante quando si misurano grandi correnti.
Per quanto riguarda la precisione, i sensori a effetto Hall attualmente disponibili possono raggiungere un errore di uscita dell’1%. Un circuito resistivo di rilevamento della corrente ben progettato potrebbe superare questo valore, ma l’1% sarebbe generalmente adeguato nelle applicazioni ad alta corrente/alta tensione per le quali i dispositivi a effetto Hall sono particolarmente adatti.
Gli svantaggi dei sensori a effetto Hall includono una gamma di frequenza limitata e un costo maggiore. L’ACS712 offre una larghezza di banda interna di 80 kHz, e il Melexis MLX91208, che è commercializzato come un dispositivo “a banda larga”, è specificato fino a 250 kHz. Un circuito resistivo di rilevamento della corrente con un amplificatore ad alta velocità, d’altra parte, potrebbe funzionare bene nella gamma megahertz. Inoltre, come discusso sopra, l’effetto Hall è intrinsecamente limitato per quanto riguarda la misurazione di piccole correnti.
Isolamento
Uno dei vantaggi dominanti dei sensori a effetto Hall è l’isolamento elettrico, che in un contesto di progettazione di circuiti o sistemi è spesso indicato come isolamento galvanico. Il principio dell’isolamento galvanico è coinvolto ogni volta che un progetto richiede che due circuiti comunichino in un modo che impedisce qualsiasi flusso diretto di corrente elettrica. Un semplice esempio è quando un segnale digitale viene passato attraverso un optoisolatore, che converte gli impulsi di tensione in impulsi di luce e quindi trasmette i dati otticamente piuttosto che elettricamente. Una delle ragioni principali per implementare l’isolamento galvanico è quella di prevenire i problemi legati ai loop di massa:
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I principi base della progettazione dei circuiti presuppongono che i componenti interconnessi condividano un nodo di massa comune, che si presume essere a 0 V. Nella vita reale, tuttavia, il “nodo di terra” è composto da conduttori con resistenza diversa da zero, e questi conduttori servono come percorso di ritorno per la corrente che scorre dal circuito verso l’alimentazione. La legge di Ohm ci ricorda che la corrente e la resistenza creano tensione, e queste cadute di tensione nel percorso di ritorno significano che la “terra” in una parte del circuito o del sistema non è allo stesso potenziale della “terra” in un’altra parte. Queste differenze di potenziale di terra possono portare a problemi che vanno da trascurabili a catastrofici.
Impedendo il flusso di corrente diretta tra due circuiti, l’isolamento galvanico permette ai circuiti con diversi potenziali di terra di comunicare con successo. Questo è particolarmente rilevante per le applicazioni di rilevamento della corrente: un sensore a bassa tensione e un circuito di elaborazione possono avere bisogno di monitorare correnti grandi e altamente variabili, per esempio, in un circuito di azionamento del motore. Queste grandi correnti che cambiano rapidamente porteranno a notevoli fluttuazioni di tensione nel percorso di ritorno. Un sensore a effetto Hall permette al sistema di monitorare la corrente di azionamento e di proteggere il circuito del sensore ad alta precisione da queste dannose fluttuazioni di terra.
Tensione di modo comune
Un’altra importante applicazione per i sensori a effetto Hall è la misurazione della corrente con tensioni elevate. In un circuito resistivo di rilevamento della corrente, un amplificatore differenziale misura la differenza di tensione tra un lato di un resistore e l’altro. Un problema sorge, però, quando queste tensioni sono grandi rispetto al potenziale di terra:
Gli amplificatori reali hanno una “gamma di modo comune” limitata, il che significa che il dispositivo non funziona correttamente quando le tensioni di ingresso, sebbene piccole l’una rispetto all’altra, sono troppo grandi rispetto alla terra. Le gamme di modo comune degli amplificatori di corrente in genere non si estendono oltre 80 o 100 V. I sensori a effetto Hall, d’altra parte, possono convertire la corrente in tensione senza riferimento al potenziale di terra del circuito misurato. Di conseguenza, finché le tensioni non sono abbastanza grandi da causare danni fisici, la tensione di modo comune non influenza il funzionamento di un dispositivo a effetto Hall.