Sensore ad effetto Hall
I sensori ad effetto Hall rilevano l'intensità del campo magnetico e la direzione di un magnete permanente o di un elettromagnete. L'uscita del sensore ad effetto Hall è una funzione del suo campo magnetico e può rilevare campi magnetici positivi e negativi.
Principio di funzionamento del sensore ad effetto Hall
Un campo magnetico esterno attiva i sensori ad effetto Hall. I campi magnetici sono rappresentati dalla densità di flusso (B) e dai suoi poli magnetici, come il polo nord o il polo sud. Il magnetismo attorno al sensore ad effetto Hall ne determina il segnale di uscita. Quando la densità del flusso magnetico ambientale supera un valore di soglia predeterminato, il sensore produce una tensione di Hall, VH.
I sensori a semiconduttore sono semiconduttori di tipo p come arseniuro di gallio (GaAs), arseniuro di indio (InAs) e antimoniuro di indio (InSb) che conducono corrente continua. Il materiale semiconduttore subisce una forza in presenza di un campo magnetico, causando lo spostamento sia degli elettroni che delle lacune verso i lati dello strato semiconduttore. Quando gli elettroni e le lacune si spostano su entrambi i lati, si sviluppa una differenza di potenziale tra i diversi lati dei semiconduttori. Nei materiali piatti e rettangolari, un campo magnetico esterno perpendicolare al materiale semiconduttore ha un effetto maggiore sulla mobilità degli elettroni.
L'effetto Hall mostra il tipo di polo magnetico e la sua intensità di campo. Ad esempio, su uno dei poli del magnete c’è tensione, ma sull’altro no. I sensori ad effetto Hall sono solitamente “spenti” e si comportano come un circuito aperto in assenza di campo magnetico. Sono chiusi solo sotto un campo magnetico fortemente polarizzato (circuito chiuso).
Caratteristiche del sensore magnetico ad effetto Hall
La tensione di sala (V H ) del sensore ad effetto Hall è una funzione dell'intensità del suo campo magnetico (H). La maggior parte dei dispositivi ad effetto Hall commerciali includono amplificatori CC, circuiti logici di commutazione e regolatori di tensione per migliorare la sensibilità del sensore e le tensioni di uscita. Ciò consente al sensore ad effetto Hall di gestire più potenza e campi magnetici.
Schema elettrico del sensore magnetico a effetto Hall
I sensori semiattivi hanno uscite lineari o digitali. La tensione di uscita del sensore lineare è direttamente correlata al campo magnetico che scorre attraverso il sensore Hall e viene emessa da un amplificatore operazionale.
Equazione della tensione ad effetto Hall
L'equazione della tensione di uscita è data da:
Ecco, V H denota la tensione di sala, R H denota il coefficiente dell'effetto Hall, I denota la corrente, t denota lo spessore e B sta per la densità del flusso magnetico. I sensori lineari o analogici producono una tensione costante che aumenta con campi magnetici più forti e diminuisce con campi più deboli. In un sensore ad effetto Hall, all'aumentare dell'intensità del campo magnetico, il segnale di uscita dell'amplificatore aumenta fino alla saturazione dell'alimentazione. L’aumento del campo magnetico provoca la saturazione dell’uscita ma non ha alcun effetto:
Quando l'uscita del sensore Hall supera un livello predeterminato di flusso magnetico che lo attraversa, i contatti passano rapidamente dallo stato 'chiuso' allo stato 'aperto' senza rimbalzare. Questa isteresi incorporata impedisce al segnale di uscita di oscillare quando il sensore si sposta nel campo magnetico. Ciò significa che il sensore di uscita digitale ha solo gli stati “on” e “off”.
Tipi di sensori ad effetto Hall
I sensori ad effetto Hall possono essere di due tipi: sensori ad effetto Hall bipolari e sensori ad effetto Hall unipolari. I sensori unipolari possono funzionare e scaricarsi quando entrano ed escono da un campo magnetico con lo stesso polo sud magnetico, mentre i sensori bipolari richiedono campi magnetici sia positivi che negativi per funzionare e scaricarsi. A causa delle capacità di pilotaggio dell'uscita da 10-20 mA, la maggior parte dei dispositivi ad effetto Hall non sono in grado di commutare direttamente carichi ad alta corrente. Per carichi di corrente pesanti, viene aggiunto un transistor NPN all'uscita con una disposizione a collettore aperto.
Applicazioni dei sensori ad effetto Hall
I sensori ad effetto Hall vengono accesi in presenza di campi magnetici e sono controllati da un singolo tipo di magnete permanente su un albero o dispositivo mobile. Per massimizzare la sensibilità, le linee del flusso magnetico devono essere perpendicolari al campo del sensore e con la corretta polarizzazione in tutte le configurazioni.
1: Rilevamento frontale
Richiede che il campo magnetico sia perpendicolare al rilevatore ad effetto Hall, come mostrato di seguito:
Questa tecnica produce un segnale di uscita, V H , che misura la densità del flusso magnetico nei dispositivi lineari in funzione della distanza dal sensore ad effetto Hall. La tensione di uscita aumenta con la forza del campo magnetico e la sua vicinanza.
2: Rilevamento laterale
Richiede un flusso magnetico indiretto mentre il magnete si muove lateralmente attraverso l'elemento ad effetto Hall.
I sensori laterali o mobili possono misurare la velocità di magneti o motori rotanti rilevando il campo magnetico che scorre sulla superficie dell'elemento Hall ad una certa distanza dal traferro.
È possibile produrre una tensione di uscita lineare positiva o negativa a seconda della posizione del campo magnetico che passa attraverso la linea centrale del campo zero del sensore. Determina i movimenti verticali e orizzontali.
3: Controllo della posizione
Il rilevatore di posizione rimane nello stato 'off' quando non è presente alcun campo magnetico. Non appena il polo sud del magnete si sposta perpendicolarmente in prossimità del sensore ad effetto Hall, l’apparecchio si “accende” e il LED si accende. Quando è acceso, il sensore ad effetto Hall è nello stato 'ON'.
Per spegnere il LED, il campo magnetico deve scendere al di sotto del punto di attivazione minimo rilevabile, oppure può anche confrontarsi con il polo nord opposto con valore gaussiano negativo.
Conclusione
I sensori ad effetto Hall vengono utilizzati per il rilevamento della direzione e dell'intensità dei campi magnetici. Sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui il settore automobilistico, il rilevamento di prossimità, il rilevamento frontale e laterale e il rilevamento della posizione per diversi campi magnetici.