Qual è la differenza tra il rilevamento della corrente ad effetto Hall e il rilevamento della posizione

L'uso dell'effetto Hall per la misurazione corrente è intrinsecamente robusto, ma può essere uno strumento ancora più versatile quando si tratta di rilevamento della posizione.

Il rilevamento, in tutte le sue forme, è fondamentale per tante applicazioni. Invariabilmente implica un materiale che funge da trasduttore, per convertire una proprietà in un'altra. In elettronica, l'elemento sensibile avrà proprietà fisiche che cambiano a seguito dell'azione del sensore, come la sua resistenza o reattanza che consente la misurazione di una variazione di corrente o tensione.

Effetto Hall

Nel 1879, Edwin Hall scoprì che quando un conduttore o un semiconduttore con corrente che scorreva in una direzione veniva introdotto perpendicolarmente in un campo magnetico, una tensione poteva essere misurata ad angolo retto rispetto al percorso corrente. È noto che l'effetto Hall deriva dall'interazione di particelle cariche, come gli elettroni, in risposta a campi elettrici e magnetici.

L'effetto Hall, applicato ai sensori, si manifesta come una differenza di tensione misurabile attraverso un conduttore attraverso la quale deve essere presente una corrente costante, o come una differenza di corrente misurabile attraverso un conduttore attraverso cui deve fluire una tensione costante (Fig. 1) . La differenza di tensione è proporzionale alla forza di un campo magnetico. Ciò significa che l'effetto Hall può essere utilizzato in due modi molto specifici, anche se l'effetto sottostante è lo stesso in entrambi i casi.

1. In termini di sensori, l'effetto Hall è una differenza di tensione misurabile attraverso un conduttore attraverso la quale deve essere presente una corrente costante, oppure una differenza di corrente misurabile attraverso un conduttore attraverso cui deve fluire una tensione costante.

Il livello del segnale dovuto alla variazione del campo, rispetto al rumore di fondo, è piccolo (intervallo di µV). Pertanto, richiede l'utilizzo di percorsi del segnale piuttosto sofisticati.

Senza voler svalutare in alcun modo la scoperta di Edwin Hall, l'effetto è in realtà un'estensione dell'uso della forza di Lorentz, che descrive l'interazione tra forze elettriche e magnetiche su una carica puntuale dovuta alla variazione del campo elettromagnetico.

In termini semplici, nel caso dell'effetto Hall, la forza di Lorentz descrive l'effetto che un campo magnetico ha su una particella carica, in particolare la direzione che sarà costretto a prendere mentre passa attraverso un conduttore esposto a un campo magnetico. Il movimento fisico determina una carica più o meno elevata sulla superficie del conduttore, con conseguente differenza di potenziale nota come tensione di Hall.

Rilevamento di corrente ad effetto hall

Il fatto che l'effetto Hall dipenda da un campo magnetico significa che può essere utilizzato come tecnologia senza contatto. Pertanto, non è invadente, a differenza del modo più comune di rilevamento della corrente, che consiste nell'utilizzare un resistore di basso valore come shunt e misurare la caduta di tensione attraverso di esso. L'uso dell'effetto Hall per la misurazione della corrente è intrinsecamente robusto nelle applicazioni ad alta potenza, perché non si basa sul potenziale di terra come riferimento.

Con un sensore di corrente ad effetto Hall convenzionale, ciò significa posizionare il sensore perpendicolare al campo magnetico e utilizzare un concentratore, normalmente un nucleo ferromagnetico a forma di anello o quadrato, posizionato attorno al conduttore che trasporta la corrente da misurare (Fig. 2) . Il sensore verrebbe tipicamente tenuto in una piccola intercapedine d'aria formata tra le due estremità del nucleo ferromagnetico.

2. Ecco un confronto di come sono posizionati i sensori di corrente a effetto Hall e Hall-IMC convenzionali.

Con un sensore di corrente IMC-Hall, l'elemento sensibile viene posizionato in parallelo con il flusso di corrente (Fig. 2, di nuovo) . In questo caso, non è necessario alcun nucleo ferromagnetico; tuttavia, potrebbe essere necessario uno scudo per l'immunità della diafonia. Ciò significa che può essere utilizzato per misurare la corrente che scorre in una barra bus o traccia PCB semplicemente posizionando il sensore sulla barra o traccia. Questo tipo di sensore è abilitato dalla tecnologia IMC-Hall utilizzando il concentratore magnetico integrato (IMC) sviluppato da Melexis (vedi sotto) .

Fondamentalmente, è il campo magnetico generato dalla corrente che viene rilevato grazie all'effetto Hall, piuttosto che alla corrente stessa.

Rilevamento della posizione ad effetto hall

Lo stesso principio può essere utilizzato per rilevare la presenza, l'assenza o la vicinanza di un campo magnetico. In effetti, la tensione di Hall che risulta dal movimento di un magnete sulla parte superiore dei sensori può essere rilevata, amplificata ed elaborata. Ciò offre l'opportunità di utilizzare l'effetto Hall per rilevare la posizione o persino l'orientamento degli oggetti rispetto al sensore.

In una semplice applicazione ciò può essere relativamente approssimativo, come quando un laptop è aperto o chiuso. Oppure può essere più sofisticato quando viene utilizzato per rilevare movimenti o rotazioni lineari, come la variazione di posizione di un oggetto mobile (Fig. 3) . A questo proposito, l'uso dell'effetto Hall per il rilevamento della posizione è molto più versatile del suo uso come sensore di corrente.

Il concentratore magnetico integrato (IMC)

Uno degli svantaggi della maggior parte dei sensori ad effetto Hall, che è legato al modo in cui l'effetto funziona, è che la piastra Hall utilizzata per rilevare il campo è limitata a un solo asse.

Per ovviare a tale inconveniente, Melexis ha sviluppato il concentratore magnetico integrato, o IMC, che rende l'effetto Hall molto più flessibile. L'IMC consente ai sensori ad effetto Hall, pur rimanendo su un piano, di rilevare campi magnetici dagli assi X, Y e Z (Fig. 4) . Di conseguenza, i vantaggi dell'applicazione sono molteplici, inclusa la flessibilità dell'orientamento del sensore.

4. Il concentratore magnetico integrato consente ai sensori ad effetto Hall, pur rimanendo su un piano, di rilevare i campi magnetici dagli assi X, Y e Z.

Rilevamento ad effetto hall in applicazioni automobilistiche

Con l'inclusione della tecnologia IMC, molte applicazioni nell'industria automobilistica possono utilizzare l'effetto Hall. Operando in tre dimensioni, il sensore ad effetto Hall può essere utilizzato per rilevare la posizione dei pedali, la rotazione del piantone dello sterzo e lo stato della leva del freno e la posizione dei sedili azionati elettricamente.

Può anche essere applicato sotto il cofano per monitorare parti mobili come pompe e motori, nonché per misurare la corrente assorbita dalle parti elettrificate del gruppo propulsore, come l'inverter, il sistema di monitoraggio della batteria (BMS) o il caricatore da tavolo (OBC).

Conclusione

In termini di base, il fenomeno dell'effetto Hall può essere sfruttato in vari modi utili, tra cui il rilevamento corrente e il rilevamento della posizione. Nonostante le grandi sfide, come il basso rapporto segnale-rumore o l'impatto del campo vagante, l'industria elettronica ha avuto successo nello sviluppo di soluzioni di rilevamento robuste e accurate basate sull'effetto Hall.

In particolare, l'aggiunta di un forte front-end analogico e di un percorso del segnale digitale, insieme a tecnologie proprietarie come l'IMC-Hall di Melexis, significa che l'effetto Hall può essere applicato alla misurazione corrente e al rilevamento della posizione, anche in ambienti difficili come quello automobilistico industria.

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