Wat is het verschil tussen Hall-effect Current Sensing en Position Sensing

Het Hall-effect gebruiken voor stroommeting is inherent robuust, maar het kan een nog veelzijdiger hulpmiddel zijn als het gaat om positiedetectie.

Sensing, in al zijn vormen, is fundamenteel voor zoveel toepassingen. Het gaat steevast om een materiaal dat fungeert als een transducer, om de ene eigenschap naar de andere om te zetten. In de elektronica zal het detectie-element fysische eigenschappen hebben die veranderen als gevolg van de actie van detectie, zoals zijn weerstand of reactantie die het meten van een verandering in stroom of spanning mogelijk maakt.

Hall-effect

In 1879 ontdekte Edwin Hall dat wanneer een geleider of halfgeleider met stroom die in één richting vloeide loodrecht op een magnetisch veld werd geïntroduceerd, een spanning kon worden gemeten loodrecht op het stroompad. Het is algemeen bekend dat het Hall-effect het gevolg is van de interactie van geladen deeltjes, zoals elektronen, als reactie op elektrische en magnetische velden.

Het Hall-effect, zoals toegepast op sensoren, manifesteert zich ofwel als een meetbaar spanningsverschil over een geleider waardoor een constante stroom aanwezig moet zijn, of als een meetbaar stroomverschil over een geleider waardoor een constante spanning moet stromen (Fig. 1) . Het spanningsverschil is evenredig met de sterkte van een magnetisch veld. Dit betekent dat het Hall-effect op twee zeer specifieke manieren kan worden gebruikt, hoewel het onderliggende effect in beide gevallen hetzelfde is.

1. In termen van sensoren is het Hall-effect ofwel een meetbaar spanningsverschil over een geleider waardoor een constante stroom aanwezig moet zijn, of een meetbaar stroomverschil over een geleider waardoor een constante spanning moet stromen.

Het signaalniveau als gevolg van de veldvariatie ten opzichte van achtergrondruis, is klein (bereik van µV). Daarom vereist het behoorlijk geavanceerde signaalpaden om er gebruik van te kunnen maken.

Zonder de ontdekking van Edwin Hall op enigerlei wijze te willen devalueren, is het effect echt een uitbreiding van het gebruik van de Lorentz-kracht, die het samenspel tussen elektrische en magnetische krachten op een puntlading als gevolg van variatie in het elektromagnetische veld beschrijft.

In eenvoudige bewoordingen, in het geval van het Hall-effect, beschrijft de Lorentz-kracht het effect dat een magnetisch veld heeft op een geladen deeltje, in het bijzonder de richting die het zal moeten volgen als het door een geleider loopt die is blootgesteld aan een magnetisch veld. De fysieke beweging resulteert in min of meer lading over het oppervlak van de geleider, wat resulteert in het potentiaalverschil dat bekend staat als de Hall-spanning.

Hall-effect stroomdetectie

Het feit dat het Hall-effect afhankelijk is van een magnetisch veld, betekent dat het kan worden gebruikt als contactloze technologie. Het is dus niet opdringerig, in tegenstelling tot de meest voorkomende manier van stroomdetectie, die bestaat uit het gebruik van een weerstand met lage waarde als shunt en het meten van de spanningsval erover. Het gebruik van het Hall-effect voor stroommeting is inherent robuust in toepassingen met hoog vermogen, omdat het niet afhankelijk is van het aardpotentiaal als referentie.

Met een conventionele Hall-effect stroomsensor betekent dit dat de sensor loodrecht op het magnetische veld wordt geplaatst en een concentrator wordt gebruikt, normaal gesproken een ferromagnetische kern die is gevormd als een ring of vierkant, geplaatst rond de geleider die de te meten stroom draagt (Fig. 2) . De sensor wordt typisch vastgehouden in een kleine luchtspleet gevormd tussen de twee uiteinden van de ferromagnetische kern.

2. Hier is een vergelijking van hoe conventionele Hall-effect en Hall-IMC stroomsensoren worden gepositioneerd.

Bij een IMC-Hall-stroomsensor wordt het sensorelement parallel aan de stroomstroom geplaatst (opnieuw afb. 2) . In dit geval is geen ferromagnetische kern nodig; een schild kan echter nodig zijn voor overspraakimmuniteit. Dit betekent dat het kan worden gebruikt om de stroom te meten die in een busbar of PCB-spoor stroomt, gewoon door de sensor over de staaf of het spoor te plaatsen. Dit type sensor wordt mogelijk gemaakt door de IMC-Hall-technologie met behulp van de door Melexis ontwikkelde Integrated Magnetic Concentrator (IMC) (zie hieronder) .

Fundamenteel is het het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de stroom die wordt gedetecteerd dankzij het Hall-effect, in plaats van de stroom zelf.

Hall-effect positiedetectie

Hetzelfde principe kan worden gebruikt om de aanwezigheid, afwezigheid of nabijheid van een magnetisch veld te detecteren. In feite kan de Hall-spanning die het gevolg is van de beweging van een magneet bovenop de sensoren worden gedetecteerd, versterkt en verwerkt. Dit biedt de mogelijkheid om het Hall-effect te gebruiken om de positie of zelfs de oriëntatie van objecten ten opzichte van de sensor te detecteren.

In een eenvoudige toepassing kan dit relatief grof zijn, bijvoorbeeld wanneer een laptop open of gesloten is. Of het kan geavanceerder zijn wanneer het wordt gebruikt om lineaire beweging of rotatie te detecteren, zoals de variatie in positie van een beweegbaar object (Fig. 3) . In dit opzicht is het gebruik van het Hall-effect voor positiewaarneming veel veelzijdiger dan het gebruik ervan als stroomsensor.

De geïntegreerde magnetische concentrator (IMC)

Een van de nadelen van de meeste Hall-effect sensoren, die verband houdt met de manier waarop het effect werkt, is dat de Hall-plaat die wordt gebruikt om het veld te detecteren beperkt is tot slechts één as.

Om dat nadeel aan te pakken, ontwikkelde Melexis de Integrated Magnetic Concentrator, of IMC, die het Hall-effect veel flexibeler maakt. Met de IMC kunnen de Hall-effect sensoren, terwijl ze in een vlak blijven, magnetische velden van de X-, Y- en Z-assen detecteren (Fig. 4) . Bijgevolg zijn de toepassingsvoordelen veelvoudig, inclusief de flexibiliteit van de oriëntatie van de sensor.

4. Met de geïntegreerde magnetische concentrator kunnen Hall-effect sensoren, terwijl ze in een vlak blijven, magnetische velden van de X-, Y- en Z-assen detecteren.

Hall-effect detectie in automotive-toepassingen

Met de opname van IMC-technologie kunnen veel toepassingen in de auto-industrie het Hall-effect toepassen. Door in drie dimensies te werken, kan de Hall-effect sensor worden gebruikt om de positie van pedalen, de rotatie van de stuurkolom en de status van de remhendel en de positie van elektrisch bediende stoelen te detecteren.

Het kan ook worden toegepast onder de motorkap om bewegende delen van pompen en motoren te bewaken, evenals om de stroom te meten die wordt getrokken door geëlektrificeerde delen van de aandrijflijn, zoals de omvormer, het batterijbewakingssysteem (BMS) of de on- boordlader (OBC).

Gevolgtrekking

In principe kan het fenomeen Hall-effect op een aantal nuttige manieren worden benut, waaronder stroomdetectie en positiedetectie. Ondanks grote uitdagingen, zoals de lage signaal-ruisverhouding of de impact van strooiveld, is de elektronica-industrie succesvol geweest in het ontwikkelen van robuuste en nauwkeurige detectieoplossingen op basis van het Hall-effect.

In het bijzonder betekent de toevoeging van een sterk analoog front-end en digitaal signaalpad, samen met eigen technologieën zoals de IMC-Hall van Melexis, dat het Hall-effect kan worden toegepast op stroommetingen en positiewaarneming - zelfs in zware omgevingen zoals de automobielindustrie industrie.

Neem voor meer informatie contact met ons op via sales@xfullstar.com