Hiệu ứng Hall được Edwin Hall phát hiện vào năm 1879, nhưng nó đã được nhiều năm trước khi phát triển công nghệ đã làm cho các mạch tích hợp có thể tận dụng hết các hiện tượng này. Ngày nay, IC cảm biến Hall có một cách thuận tiện để đạt được các phép đo dòng chính xác duy trì sự cách ly điện giữa đường dẫn đo được và mạch đo.
Hiệu ứng Hall đề cập đến tình huống mà lực Lorentz tác động lên các điện tử di chuyển qua một dây dẫn, như vậy sự khác biệt về điện năng-nói cách khác, một điện áp phát triển giữa hai mặt của dây dẫn.
Lưu ý rằng các mũi tên trong sơ đồ thứ hai cho biết hướng dòng chảy thông thường, có nghĩa là các electron đi theo chiều ngược lại. Hướng của lực Lorentz được điều chỉnh bởi một quy luật bên phải có tính đến hướng mà trong đó điện tử di chuyển so với từ trường. Trong sơ đồ thứ nhất, điện tử di chuyển sang phải, và lực Lorentz đang trở lên. Trong sơ đồ thứ hai, với các electron di chuyển sang trái, lực Lorentz xuống và do đó tích điện âm tích tụ về phía cạnh dưới của dây dẫn. Kết quả là một sự khác biệt tiềm ẩn phát triển giữa cạnh trên và dưới của dây dẫn, với cạnh trên tích cực hơn cạnh dưới. Sự khác biệt tiềm năng này được gọi là điện áp Hall:
Phương trình này, áp dụng cho tấm mang hiện tại, cho chúng ta biết điện áp Hall có liên quan đến biên độ dòng điện chảy qua dây dẫn (I), cường độ từ trường (B), điện tử electron nguyên tử (e), điện thế Số electron trên đơn vị khối lượng (ρ), và độ dày của tấm (t).
Khai thác hiệu ứng Hall
Các điện áp tạo ra thông qua hiệu ứng Hall ít liên quan với tiếng ồn, độ lệch, và các hiệu ứng nhiệt độ điển hình ảnh hưởng đến mạch và do đó các cảm biến thực tế dựa trên hiệu ứng Hall không phổ biến cho đến khi những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn cho phép tích hợp các thành phần kết hợp yếu tố Hall và mạch bổ sung cần thiết để khuếch đại và điều kiện điện áp Hall. Tuy nhiên, bộ cảm biến Hall hiệu quả được giới hạn trong khả năng của họ để đo dòng nhỏ. Ví dụ, ACS712 từ Allegro MicroSystems có độ nhạy 185 mV/A. Điều này có nghĩa là một dòng điện 10 mA sẽ tạo ra một điện áp đầu ra chỉ có 1,85 mV. Điện áp này có thể chấp nhận được nếu mạch có sàn tiếng ồn thấp, nhưng nếu điện trở 2Ω có thể được bao gồm trong đường dẫn hiện tại, điện áp ra 20 mV sẽ là một cải tiến lớn.
Hiệu ứng Hall có liên quan đến nhiều ứng dụng cảm biến; Các thiết bị dựa trên mối quan hệ tương đối đơn giản giữa hiện tại, từ trường, và điện áp có thể được sử dụng để đo vị trí, tốc độ, và cường độ từ trường. Tuy nhiên, trong bài này, chúng ta sẽ tập trung vào các thiết bị đo dòng điện qua điện áp Hall được tạo ra khi một từ trường gây ra bởi dòng điện đo được tập trung thành một phần tử Hall tích hợp.
Ưu điểm và nhược điểm
Các đặc tính hiệu năng khác nhau từ một cảm biến Hall đến cảm biến khác, vì vậy rất khó để tóm tắt chính xác những thuận lợi và bất lợi của cảm nhận hiệu quả của Hall so với kỹ thuật cảm nhận chung hiện tại khác; Cụ thể là, chèn một điện trở chính xác vào đường dẫn hiện tại và đo điện áp giảm kết quả với một bộ khuếch đại vi sai. Nhìn chung, mặc dù, các cảm biến Hall hiệu quả được đánh giá là “không xâm phạm” và để cung cấp cách ly điện giữa đường dẫn hiện tại và mạch đo lường. Các thiết bị này được coi là không xâm phạm vì không có số lượng lớn kháng được đưa vào con đường hiện tại, và do đó các mạch được đo hoạt động gần như là không có cảm biến. Một lợi ích khác là công suất tối thiểu sẽ bị tiêu tan bởi cảm biến; Điều này đặc biệt quan trọng khi đo dòng điện lớn.
Về độ chính xác, hiện tại bộ cảm biến Hall hiệu quả có thể đạt được lỗi đầu ra thấp đến 1%. Một mạch cảm biến được thiết kế tốt có thể vượt qua được điều này, nhưng 1% nhìn chung là phù hợp với các ứng dụng dòng điện cao / điện áp cao mà các thiết bị hiệu ứng Hall đặc biệt phù hợp.
Nhược điểm của cảm biến hiệu ứng Hall bao gồm tần số giới hạn và chi phí cao hơn. ACS712 cung cấp băng thông nội bộ 80 kHz, và Melexis MLX91208, được bán dưới dạng thiết bị “băng rộng”, được chỉ định lên đến 250 kHz. Một mạch điện trở dòng điện cảm ứng với bộ khuyếch đại tốc độ cao, mặt khác, có thể hoạt động tốt trong phạm vi megahertz. Ngoài ra, như đã thảo luận ở trên, hiệu ứng Hall vốn đã bị giới hạn trong việc đo các dòng điện nhỏ.
Tính cách ly
Một trong những lợi ích nổi trội của cảm biến hiệu ứng Hall là sự cô lập điện, trong một bối cảnh mạch hoặc thiết kế hệ thống thường được gọi là sự cách ly điện. Nguyên tắc cô lập mạ điện được sử dụng khi thiết kế yêu cầu hai mạch giao tiếp theo cách ngăn chặn bất kỳ dòng điện trực tiếp nào. Một ví dụ đơn giản là khi một tín hiệu số được truyền qua một bộ tách quang, nó chuyển xung điện áp sang xung ánh sáng và do đó truyền dữ liệu quang học thay vì điện tử. Một trong những lý do chính để thực hiện cách ly điện là để ngăn ngừa các vấn đề liên quan đến mặt đất:
Các nguyên tắc thiết kế mạch cơ bản cho rằng các thành phần kết nối được chia sẻ với một nút mặt đất chung, giả định ở mức 0 V. Tuy nhiên, trong thực tế, “nút đất” bao gồm các dây dẫn có điện trở khác và các dây dẫn này phục vụ như một đường trở về Cho hiện tại chảy từ mạch trở lại để cung cấp điện. Luật của Ohm nhắc nhở chúng ta rằng hiện tại và điện trở làm cho điện áp, và những giọt điện áp trong con đường trở lại có nghĩa là “mặt đất” trong một phần của mạch hoặc hệ thống không phải là ở tiềm năng giống như “đất” ở một phần khác. Những khác biệt về tiềm năng mặt đất có thể dẫn đến các vấn đề khác nhau, từ không đáng kể đến thảm khốc.
Bằng cách ngăn chặn lưu lượng dòng điện trực tiếp giữa hai mạch, cách ly galvanic cho phép các mạch với các tiềm năng đất khác nhau để giao tiếp thành công. Điều này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng có ý nghĩa hiện tại: một bộ cảm biến điện áp thấp và mạch xử lý có thể cần phải theo dõi những dòng điện lớn và biến thiên cao, ví dụ như mạch điện động cơ. Những dòng điện lớn, nhanh chóng thay đổi này sẽ dẫn đến sự biến động điện áp đáng kể trong đường đi trở lại. Một cảm biến Hall hiệu quả cho phép hệ thống để giám sát cả hai ổ đĩa hiện tại và bảo vệ các mạch cảm biến độ chính xác cao từ những biến động mặt đất có hại này.
Điện áp chế độ thông thường
Một ứng dụng quan trọng khác cho cảm biến Hall hiệu quả là các phép đo hiện tại liên quan đến điện áp cao. Trong một mạch cảm ứng dòng điện trở điện trở, một bộ khuếch đại vi sai đo lường sự khác biệt về điện áp giữa một bên của điện trở và đầu kia. Tuy nhiên, một vấn đề phát sinh khi những điện áp này tương đối lớn so với tiềm năng mặt đất:
Bộ khuếch đại trong đời thực có giới hạn phạm vi chế độ “phổ biến”, có nghĩa là thiết bị sẽ không hoạt động bình thường khi điện áp đầu vào, mặc dù ít liên quan đến nhau, có liên quan lớn với mặt đất. Các phạm vi chế độ phổ biến của các bộ khuếch đại cảm giác thường không vượt quá 80 hoặc 100 V. Các bộ cảm biến Hall có thể chuyển đổi điện áp mà không cần tham chiếu đến điện thế của mạch đo. Do đó, miễn là các điện áp không đủ lớn để gây ra thiệt hại về thể chất, điện áp chế độ thông thường không ảnh hưởng đến hoạt động của một thiết bị hiệu ứng Hall.
Xem thêm:
