Vad är skillnaden mellan Hall-Effect Current Sensing och Position Sensing

Att använda Hall-effekten för aktuell mätning är i sig robust, men det kan vara ett ännu mer mångsidigt verktyg när det gäller positionsavkänning.

Avkänning, i alla dess former, är grundläggande för så många applikationer. Det innebär alltid ett material som fungerar som en givare, för att konvertera en egenskap till en annan. Inom elektronik kommer avkänningselementet att ha fysiska egenskaper som ändras till följd av avkänningens verkan, såsom dess motstånd eller reaktans som tillåter mätning av en förändring i antingen ström eller spänning.

Hall Effect

År 1879 upptäckte Edwin Hall att när en ledare eller halvledare med ström som strömmar i en riktning infördes vinkelrätt mot ett magnetfält, kunde en spänning mätas i rät vinkel mot den aktuella vägen. Det är väl etablerat att Hall-effekten är resultatet av interaktion mellan laddade partiklar, som elektroner, som svar på elektriska och magnetiska fält.

Hall-effekten, applicerad på sensorer, manifesteras antingen som en mätbar spänningsskillnad över en ledare genom vilken en konstant ström måste vara närvarande, eller som en mätbar strömskillnad över en ledare genom vilken en konstant spänning måste strömma (Fig. 1) . Spänningsskillnaden är proportionell mot styrkan hos ett magnetfält. Detta innebär att Hall-effekten kan användas på två mycket specifika sätt, även om den underliggande effekten är densamma i båda fallen.

1. När det gäller sensorer är Hall-effekten antingen en mätbar spänningsskillnad över en ledare genom vilken en konstant ström måste finnas, eller en mätbar strömskillnad över en ledare genom vilken en konstant spänning måste strömma.

Signalnivån beroende på fältvariationen, relativt bakgrundsbrus, är liten (intervallet av µV). Därför kräver det ganska sofistikerade signalvägar för att kunna använda den.

Utan att vilja devalvera Edwin Halls upptäckt på något sätt är effekten verkligen en förlängning av användningen av Lorentz-kraften, som beskriver samspelet mellan elektriska och magnetiska krafter på en punktladdning på grund av variationer i det elektromagnetiska fältet.

Enkelt uttryckt, när det gäller Hall-effekten, beskriver Lorentz-kraften effekten som ett magnetfält har på en laddad partikel, speciellt den riktning den kommer att tvingas ta när den passerar genom en ledare som är utsatt för ett magnetfält. Den fysiska rörelsen resulterar i mer eller mindre laddning över ledarens yta, vilket resulterar i den potentiella skillnaden känd som Hall-spänningen.

Hall-effekt strömavkänning

Det faktum att Hall-effekten beror på ett magnetfält betyder att den kan användas som en kontaktlös teknik. Således är det icke-påträngande, till skillnad från det vanligaste sättet för strömavkänning, som består av att använda ett lågt värde motstånd som en shunt och mäta spänningsfallet över det. Att använda Hall-effekten för strömmätning är i sig robust i applikationer med hög effekt, eftersom det inte litar på markpotentialen som referens.

Med en konventionell Hall-effekt-strömgivare innebär detta att placera sensorn vinkelrätt mot magnetfältet och använda en koncentrator, normalt en ferromagnetisk kärna som är formad som antingen en ring eller kvadrat, placerad runt ledaren som bär strömmen som ska mätas (Fig. 2) . Sensorn skulle typiskt hållas i ett litet luftspalt bildat mellan de två ändarna av den ferromagnetiska kärnan.

2. Här är en jämförelse av hur konventionella Hall-effekt- och Hall-IMC-strömsensorer är placerade.

Med en IMC-Hall-strömsensor placeras avkänningselementet parallellt med strömflödet (Fig. 2, igen) . I detta fall behövs ingen ferromagnetisk kärna; emellertid kan en sköld vara nödvändig för övergångsimmunitet. Detta betyder att den kan användas för att mäta strömmen som flyter i en bussstång eller PCB-spår bara genom att placera sensorn över stången eller spåret. Denna typ av sensor aktiveras av IMC-Hall-teknologin med hjälp av den integrerade magnetiska koncentratorn (IMC) utvecklad av Melexis (se nedan) .

I grund och botten är det magnetfältet som genereras av strömmen som detekteras tack vare Hall-effekten snarare än själva strömmen.

Hall-Effect Position Sensing

Samma princip kan användas för att detektera närvaron, frånvaro eller närhet av ett magnetfält. Effektivt kan Hall-spänningen som är resultatet av rörelsen av en magnet ovanpå sensorerna detekteras, förstärkas och bearbetas. Detta ger en möjlighet att använda Hall-effekten för att upptäcka positionen eller till och med orienteringen av objekt med avseende på sensorn.

I en enkel applikation kan detta vara relativt grovt, till exempel när en bärbar dator är öppen eller stängd. Eller så kan det vara mer sofistikerat när det används för att upptäcka linjär rörelse eller rotation, till exempel variationen i läget för ett rörligt objekt (fig. 3) . I detta avseende är användning av Hall-effekten för positionsavkänning mycket mer mångsidig än dess användning som en strömsensor.

Den integrerade magnetiska koncentratorn (IMC)

En av nackdelarna med de flesta Hall-effektsensorer, som är relaterade till hur effekten fungerar, är att Hall-plattan som används för att avkänna fältet är begränsad till endast en axel.

För att hantera denna nackdel utvecklade Melexis den integrerade magnetiska koncentratorn, eller IMC, som gör Hall-effekten mycket mer flexibel. IMC tillåter Hall-effekt-sensorerna, medan de är kvar i ett plan, att detektera magnetfält från X-, Y- och Z-axlarna (Fig. 4) . Följaktligen är applikationsfördelarna flera, inklusive flexibiliteten i sensorns orientering.

4. Den integrerade magnetiska koncentratorn gör att Hall-effekt-sensorer, medan de är kvar i ett plan, kan upptäcka magnetfält från X-, Y- och Z-axlarna.

Hall-Effect Sensing i fordonsapplikationer

Med införandet av IMC-teknik kan många applikationer inom fordonsindustrin använda Hall-effekten. Genom att arbeta i tre dimensioner kan Hall-effektsensorn användas för att upptäcka pedalernas position, rotation av rattstången och bromsspaken och läget för elektriskt styrda säten.

Det kan också appliceras under huven för att övervaka rörliga delar och pumpar och motorer, samt för att mäta strömmen som dras av elektrifierade delar av drivlinan, såsom växelriktaren, batteriövervakningssystemet (BMS) eller på- kortladdare (OBC).

Slutsats

I grundläggande termer kan Hall-effekt-fenomenet utnyttjas på ett antal användbara sätt, inklusive strömavkänning och positionsavkänning. Trots stora utmaningar, såsom det låga signal-till-brus-förhållandet eller påverkan från vildfält, har elektronikindustrin lyckats utveckla robusta och exakta avkänningslösningar baserade på Hall-effekten.

I synnerhet innebär tillägget av en stark analog frontend och digital signalväg, tillsammans med egen teknik som Melexis IMC-Hall, Hall-effekten kan tillämpas på aktuell mätning och positionsavkänning - även i tuffa miljöer som bilindustrin industri.

För mer information, kontakta oss på sales@xfullstar.com