Efekt Halla został odkryty przez Edwina Halla w 1879 roku, ale minęło wiele lat zanim rozwój technologiczny umożliwił układom scalonym pełne wykorzystanie tego zjawiska. Obecnie, układy scalone z czujnikiem efektu Halla oferują wygodny sposób na osiągnięcie dokładnych pomiarów prądu, które utrzymują izolację elektryczną pomiędzy mierzoną ścieżką prądową a obwodem pomiarowym.
Poziom zalecany
Początkujący
Od Lorentza do Halla
Efekt Halla jest rozszerzeniem siły Lorentza, która opisuje siłę wywieraną na naładowaną cząstkę – taką jak elektron – poruszającą się w polu magnetycznym. Jeżeli pole magnetyczne jest zorientowane prostopadle do kierunku ruchu elektronu, to elektron doświadcza siły, która jest prostopadła zarówno do kierunku ruchu jak i orientacji pola magnetycznego.
Efekt Halla odnosi się do sytuacji, w której siła Lorentza działa na elektrony poruszające się w przewodniku, tak że powstaje różnica potencjałów elektrycznych – innymi słowy, napięcie – pomiędzy dwoma stronami przewodnika.
Zauważ, że strzałki na tym drugim schemacie wskazują kierunek przepływu prądu konwencjonalnego, co oznacza, że elektrony poruszają się w przeciwnym kierunku. Kierunek działania siły Lorentza jest regulowany przez regułę prawej ręki, która uwzględnia kierunek, w którym elektron porusza się względem pola magnetycznego. Na pierwszym rysunku, elektron porusza się w prawo, a siła Lorentza jest skierowana ku górze. Na drugim diagramie, z elektronami płynącymi w lewo, siła Lorentza jest skierowana w dół, a zatem ujemny ładunek gromadzi się w kierunku dolnej krawędzi przewodnika. W rezultacie powstaje różnica potencjałów pomiędzy górną i dolną krawędzią przewodnika, przy czym górna krawędź jest bardziej dodatnia niż dolna. Ta różnica potencjałów jest określana jako napięcie Halla:
$V_{Hall}=-$frac{IB}{eρt}$
To równanie, które stosuje się do płytki przewodzącej prąd, mówi nam, że napięcie Halla jest związane z amplitudą prądu płynącego przez przewodnik (I), natężeniem pola magnetycznego (B), ładunkiem elektronów elementarnych (e), liczbą elektronów na jednostkę objętości (ρ) i grubością płytki (t).
Wykorzystanie efektu Halla
Napięcia generowane przez efekt Halla są małe w porównaniu z szumem, przesunięciami i efektami temperaturowymi, które zazwyczaj wpływają na obwód, dlatego praktyczne czujniki oparte na efekcie Halla nie były szeroko rozpowszechnione do czasu, gdy postęp w technologii półprzewodników pozwolił na uzyskanie wysoce zintegrowanych komponentów, które zawierają element Halla i dodatkowe obwody potrzebne do wzmocnienia i kondycjonowania napięcia Halla. Nadal jednak czujniki z efektem Halla są ograniczone w swojej zdolności do pomiaru małych prądów. Dla przykładu, ACS712 z Allegro MicroSystems ma czułość 185 mV/A. Oznacza to, że prąd o natężeniu 10 mA wytworzy napięcie wyjściowe o wartości zaledwie 1,85 mV. Takie napięcie może być akceptowalne, jeśli obwód ma niską podłogę szumów, ale jeśli rezystor 2 Ω mógłby być włączony w ścieżkę prądową, wynikowe napięcie wyjściowe 20 mV byłoby znaczną poprawą.
Efekt Halla jest istotny dla wielu zastosowań czujników; urządzenia oparte na tej stosunkowo prostej zależności między prądem, polem magnetycznym i napięciem mogą być używane do pomiaru pozycji, prędkości i natężenia pola magnetycznego. W tym artykule skupimy się jednak na urządzeniach, które mierzą prąd za pomocą napięcia Halla generowanego, gdy pole magnetyczne indukowane przez mierzony prąd jest skupione w kierunku zintegrowanego elementu z efektem Halla.
Zalety i wady
Charakterystyki wydajności różnią się w zależności od czujnika prądu z efektem Halla, więc trudno jest precyzyjnie podsumować zalety i wady czujnika z efektem Halla w stosunku do innej powszechnie stosowanej techniki pomiaru prądu, a mianowicie wstawiania precyzyjnego rezystora w ścieżkę prądu i mierzenia powstałego spadku napięcia za pomocą wzmacniacza różnicowego. Ogólnie jednak, czujniki z efektem Halla są cenione za to, że są „nieinwazyjne” i zapewniają izolację elektryczną pomiędzy ścieżką prądową a obwodem pomiarowym. Urządzenia te są uważane za nieinwazyjne, ponieważ do ścieżki prądowej nie jest wprowadzana znacząca ilość rezystancji, a zatem mierzony obwód zachowuje się prawie tak, jakby czujnik nie był obecny. Dodatkową zaletą jest minimalna moc rozpraszana przez czujnik; jest to szczególnie ważne przy pomiarach dużych prądów.
Jeśli chodzi o dokładność, obecnie dostępne czujniki z efektem Halla mogą osiągnąć błąd wyjściowy tak niski jak 1%. Dobrze zaprojektowany rezystancyjny obwód wykrywania prądu mógłby przekroczyć ten próg, ale 1% byłby wystarczający w zastosowaniach wysokoprądowych/wysokonapięciowych, do których urządzenia z efektem Halla są szczególnie odpowiednie.
Wady czujników z efektem Halla obejmują ograniczony zakres częstotliwości i wyższy koszt. Czujnik ACS712 oferuje wewnętrzną szerokość pasma 80 kHz, a MLX91208 firmy Melexis, który jest sprzedawany jako urządzenie „szerokopasmowe”, jest określony do 250 kHz. Z drugiej strony, rezystancyjny obwód wykrywania prądu z szybkim wzmacniaczem może pracować w zakresie megaherców. Ponadto, jak omówiono powyżej, efekt Halla jest z natury ograniczony w odniesieniu do pomiaru małych prądów.
Izolacja
Jedną z dominujących zalet czujników z efektem Halla jest izolacja elektryczna, która w kontekście projektowania obwodów lub systemów jest często określana jako izolacja galwaniczna. Zasada izolacji galwanicznej jest stosowana zawsze, gdy projekt wymaga, aby dwa obwody komunikowały się w sposób, który zapobiega bezpośredniemu przepływowi prądu elektrycznego. Prostym przykładem jest przepuszczanie sygnału cyfrowego przez optoizolator, który zamienia impulsy napięciowe na impulsy świetlne i w ten sposób przesyła dane optycznie, a nie elektrycznie. Jednym z podstawowych powodów implementacji izolacji galwanicznej jest zapobieganie problemom związanym z pętlami mas:
.png)
Podstawowe zasady projektowania obwodów zakładają, że połączone komponenty mają wspólny węzeł masy, który z założenia znajduje się pod napięciem 0 V. W prawdziwym życiu jednak „węzeł masy” składa się z przewodników o niezerowej rezystancji, a przewodniki te służą jako droga powrotna dla prądu płynącego z obwodu z powrotem do źródła zasilania. Prawo Ohma przypomina nam, że prąd i rezystancja tworzą napięcie, a te spadki napięcia w ścieżce powrotnej oznaczają, że „masa” w jednej części obwodu lub systemu nie jest na tym samym potencjale co „masa” w innej części. Te różnice w potencjale uziemienia mogą prowadzić do problemów od nieistotnych do katastrofalnych.
Poprzez zapobieganie bezpośredniemu przepływowi prądu między dwoma obwodami, izolacja galwaniczna umożliwia obwodom o różnych potencjałach uziemienia skuteczną komunikację. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach z czujnikami prądu: niskonapięciowy czujnik i obwód przetwarzający mogą wymagać monitorowania dużych, wysoce zmiennych prądów w, na przykład, obwodzie napędu silnika. Te duże, szybko zmieniające się prądy będą prowadzić do znacznych wahań napięcia w ścieżce powrotnej. Czujnik z efektem Halla pozwala systemowi zarówno monitorować prąd napędu, jak i chronić precyzyjny obwód czujnika przed tymi szkodliwymi wahaniami masy.
Napięcie w trybie wspólnym
Innym ważnym zastosowaniem czujników z efektem Halla są pomiary prądu przy wysokich napięciach. W rezystancyjnym obwodzie czujnika prądu, wzmacniacz różnicowy mierzy różnicę napięcia pomiędzy jedną stroną rezystora a drugą. Problem pojawia się jednak, gdy te napięcia są duże w stosunku do potencjału masy:
Prawdziwe wzmacniacze mają ograniczony „common-mode range”, co oznacza, że urządzenie nie będzie działać poprawnie, gdy napięcia wejściowe, choć małe w stosunku do siebie, są zbyt duże w stosunku do masy. Zakresy trybu wspólnego wzmacniaczy z czujnikiem prądu zazwyczaj nie przekraczają 80 lub 100 V. Z drugiej strony, czujniki z efektem Halla mogą przekształcać prąd na napięcie bez odniesienia do potencjału masy mierzonego obwodu. W związku z tym, tak długo jak napięcia nie są wystarczająco duże, aby spowodować fizyczne uszkodzenie, napięcie w trybie wspólnym nie wpływa na działanie urządzenia z efektem Halla.