Sistema de Medição de Efeito Hall

Tecnologia magnética Dexing de Xiamen Co., Ltd.

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O que é o sistema de medição do efeito Hall?

O efeito Hall é um fenômeno que produz uma diferença de voltagem (a voltagem de Hall) através de um condutor elétrico, transversal a uma corrente elétrica no condutor e a um campo magnético aplicado perpendicular à corrente.

Compreendendo e aplicando o efeito Hall

O efeito Hall foi descoberto por Edwin Hall em 1879, mas levou muitos anos até que os desenvolvimentos tecnológicos tornassem possível que os circuitos integrados aproveitassem ao máximo esse fenômeno. Hoje, os CIs de sensores de efeito Hall oferecem uma maneira conveniente de obter medições de corrente precisas que mantêm o isolamento elétrico entre o caminho da corrente medida e o circuito de medição.

De Lorentz a Hall
O efeito Hall é uma extensão da força de Lorentz, que descreve a força exercida sobre uma partícula carregada — como um elétron — movendo-se através de um campo magnético. Se o campo magnético for orientado perpendicularmente à direção do movimento do elétron, o elétron experimenta uma força que é perpendicular tanto à direção do movimento quanto à orientação do campo magnético.

Aproveitando o efeito Hall
As tensões geradas pelo efeito Hall são pequenas em relação ao ruído, deslocamentos e efeitos de temperatura que normalmente influenciam um circuito e, portanto, sensores práticos baseados no efeito Hall não eram difundidos até que os avanços na tecnologia de semicondutores permitissem componentes altamente integrados que incorporassem um elemento Hall e circuitos adicionais necessários para amplificar e condicionar a tensão Hall. Ainda assim, os sensores de efeito Hall são limitados em sua capacidade de medir pequenas correntes. Por exemplo, o ACS712 da Allegro MicroSystems tem uma sensibilidade de 185 mV/A. Isso significa que uma corrente de 10 mA produziria uma tensão de saída de apenas 1,85 mV. Essa tensão pode ser aceitável se o circuito tiver um baixo nível de ruído, mas se um resistor de 2 Ω pudesse ser incluído no caminho da corrente, a tensão de saída resultante de 20 mV seria uma grande melhoria.

O efeito Hall é relevante para uma variedade de aplicações de sensores; dispositivos baseados nessa relação relativamente simples entre corrente, campo magnético e voltagem podem ser usados para medir posição, velocidade e intensidade do campo magnético. Neste artigo, no entanto, focaremos em dispositivos que medem corrente por meio da voltagem Hall gerada quando um campo magnético induzido pela corrente medida é concentrado em direção a um elemento de efeito Hall integrado.

Prós e contras
As características de desempenho variam de um sensor de corrente de efeito Hall para outro, então é difícil resumir precisamente as vantagens e desvantagens da detecção de efeito Hall em relação à outra técnica comum de detecção de corrente; ou seja, inserir um resistor de precisão no caminho da corrente e medir a queda de tensão resultante com um amplificador diferencial. Em geral, porém, os sensores de efeito Hall são valorizados por serem "não intrusivos" e por fornecer isolamento elétrico entre o caminho da corrente e o circuito de medição. Esses dispositivos são considerados não intrusivos porque nenhuma quantidade significativa de resistência é inserida no caminho da corrente e, portanto, o circuito que está sendo medido se comporta quase como se o sensor não estivesse presente. Um benefício adicional é que o sensor dissipa potência mínima; isso é particularmente importante ao medir grandes correntes.

Em relação à precisão, os sensores de efeito Hall disponíveis atualmente podem atingir erro de saída tão baixo quanto 1%. Um circuito de detecção de corrente resistiva bem projetado pode superar isso, mas 1% geralmente seria adequado em aplicações de alta corrente/alta tensão para as quais os dispositivos de efeito Hall são particularmente adequados.

Isolamento
Um dos benefícios dominantes dos sensores de efeito Hall é o isolamento elétrico, que em um contexto de design de circuito ou sistema é frequentemente chamado de isolamento galvânico. O princípio do isolamento galvânico está envolvido sempre que um design requer que dois circuitos se comuniquem de uma forma que impeça qualquer fluxo direto de corrente elétrica. Um exemplo simples é quando um sinal digital é passado por um opto-isolador, que converte os pulsos de tensão em pulsos de luz e, portanto, transmite dados opticamente em vez de eletricamente. Uma das principais razões para implementar o isolamento galvânico é evitar problemas relacionados a loops de aterramento:

Os princípios básicos de projeto de circuitos pressupõem que componentes interconectados compartilham um nó de aterramento comum, que é assumido como sendo em 0 V. Na vida real, no entanto, o "nó de aterramento" é composto de condutores com resistência diferente de zero, e esses condutores servem como um caminho de retorno para a corrente que flui do circuito de volta para a fonte de alimentação. A lei de Ohm nos lembra que corrente e resistência fazem voltagem, e essas quedas de voltagem no caminho de retorno significam que o "aterramento" em uma parte do circuito ou sistema não está no mesmo potencial que o "aterramento" em outra parte. Essas diferenças no potencial de aterramento podem levar a problemas que variam de insignificantes a catastróficos.

Ao impedir o fluxo de corrente contínua entre dois circuitos, o isolamento galvânico permite que circuitos com diferentes potenciais de aterramento se comuniquem com sucesso. Isso é particularmente relevante para aplicações de detecção de corrente: um sensor de baixa tensão e um circuito de processamento podem precisar monitorar correntes grandes e altamente variáveis em, por exemplo, um circuito de acionamento de motor. Essas correntes grandes e que mudam rapidamente levarão a flutuações de tensão consideráveis no caminho de retorno. Um sensor de efeito Hall permite que o sistema monitore a corrente de acionamento e proteja o circuito do sensor de alta precisão dessas flutuações de aterramento prejudiciais.

Tensão de modo comum
Outra aplicação importante para sensores de efeito Hall são medições de corrente envolvendo altas tensões. Em um circuito de detecção de corrente resistiva, um amplificador diferencial mede a diferença de tensão entre um lado de um resistor e o outro. Um problema surge, no entanto, quando essas tensões são grandes em relação ao potencial de terra:

Amplificadores da vida real têm uma "faixa de modo comum" limitada, o que significa que o dispositivo não funcionará corretamente quando as tensões de entrada, embora pequenas em relação umas às outras, forem muito grandes em relação ao aterramento. As faixas de modo comum de amplificadores de detecção de corrente normalmente não se estendem além de 80 ou 100 V. Sensores de efeito Hall, por outro lado, podem converter corrente em tensão sem referência ao potencial de aterramento do circuito medido. Consequentemente, desde que as tensões não sejam grandes o suficiente para causar danos físicos, a tensão de modo comum não afeta a operação de um dispositivo de efeito Hall.

Como funcionam os sensores de efeito Hall?

Quando uma corrente elétrica flui através de qualquer material, os elétrons dentro da corrente se movem naturalmente em linha reta, com a eletricidade criando seu próprio campo magnético à medida que é carregada.

Se o material eletricamente carregado for colocado entre os polos de um ímã permanente, em vez de se mover em linha reta, os elétrons irão desviar para um caminho curvo conforme se movem através do material. Isso acontece porque seu próprio campo magnético está reagindo ao campo contrastante do ímã permanente.

Como resultado desse novo movimento curvo, mais elétrons estão então presentes em um lado do material eletricamente carregado. Por meio disso, uma diferença de potencial (ou voltagem) aparecerá então através do material em ângulos retos ao campo magnético, tanto do ímã permanente quanto do fluxo da corrente elétrica.

Então, como funciona um sensor de efeito Hall?
Usando semicondutores (como silício), os sensores de efeito Hall funcionam medindo a voltagem variável quando o dispositivo é colocado em um campo magnético. Em outras palavras, uma vez que um sensor de efeito Hall detecta que agora está em um campo magnético, ele é capaz de sentir a posição dos objetos.

Sensores e ímãs de efeito Hall
Os ímãs são intrínsecos aos sensores de efeito Hall, que são ativados pela presença de um campo magnético externo. O dispositivo é então capaz de sentir quando um objeto se move para mais perto ou mais longe, apenas através das diferentes forças do campo magnético.

Por exemplo, se um sensor de efeito Hall fosse colocado no batente de uma porta e um ímã na porta, o sensor seria capaz de detectar quando a porta está aberta ou fechada através da presença do campo magnético.

Todos os campos magnéticos têm duas características importantes. Primeiro, o que é chamado de "densidade de fluxo", que se refere à quantidade de fluxo magnético que passa por uma área unitária, e segundo, todos os ímãs apresentam duas polaridades (os polos Norte e Sul).

O sinal de saída que sai de um sensor de efeito Hall representa a densidade de um campo magnético ao redor do dispositivo. Sensores de efeito Hall têm um limite predefinido e, quando a densidade do fluxo magnético excede esse limite, o dispositivo é capaz de detectar o campo magnético gerando uma saída chamada 'Hall Voltage'.

Todos os sensores de efeito Hall têm uma fina peça de material semicondutor dentro deles, que passa uma corrente elétrica contínua através de si para gerar um campo magnético. Quando o dispositivo é colocado perto de um ímã externo, o fluxo magnético exerce uma força no material semicondutor. Essa força causa um movimento de elétrons, criando uma voltagem Hall mensurável e ativando o sensor de efeito Hall.

A tensão de saída Hall do sensor de efeito Hall é diretamente proporcional à força do campo magnético que passa pelo material semicondutor. Frequentemente, essa tensão de saída é bem pequena - igual a apenas alguns microvolts - com muitos dispositivos de efeito Hall incluindo amplificadores DC integrados, juntamente com circuitos de comutação lógica e reguladores de tensão, que estão lá para ajudar a melhorar a sensibilidade (e, portanto, a eficácia) do dispositivo.

Medidas de efeito Hall são essenciais para caracterizar alta mobilidade de portadores

O efeito Hall pode ser observado quando a combinação de um campo magnético através de uma amostra e uma corrente ao longo do comprimento da amostra cria uma corrente elétrica perpendicular ao campo magnético e à corrente, que por sua vez cria uma voltagem transversal perpendicular a ambos. O princípio subjacente é a força de Lorentz: a força sobre uma carga pontual devido a campos eletromagnéticos

As medições do efeito Hall são inestimáveis para caracterizar materiais semicondutores, sejam eles à base de silício, semicondutores compostos, materiais de filme fino para células solares ou materiais em nanoescala como o grafeno. As medições abrangem materiais semicondutores de baixa resistência (materiais semicondutores altamente dopados, supercondutores de alta temperatura, semicondutores magnéticos diluídos e materiais GMR/TMR) e materiais semicondutores de alta resistência, incluindo GaAs semi-isolantes, nitreto de gálio e telureto de cádmio.

Um sistema de medição de efeito Hall é útil para determinar vários parâmetros de materiais, mas o principal é a voltagem Hall (VH). Mobilidade da portadora, concentração da portadora (n), coeficiente de Hall (RH), resistividade, magnetorresistência (RB) e o tipo de condutividade da portadora (N ou P) são todos derivados da voltagem Hall.

À medida que os pesquisadores desenvolvem CIs de próxima geração e materiais semicondutores mais eficientes, eles estão particularmente interessados em materiais com alta mobilidade de portadores, o que despertou muito do interesse no grafeno. Esta forma de carbono com um átomo de espessura exibe o efeito Hall quântico e, como resultado, fluxo de corrente de elétrons relativístico. Os pesquisadores consideram as medições do efeito Hall cruciais para o futuro da indústria eletrônica

Materiais com alta mobilidade de portadora permitem criar dispositivos que obtêm fluxo de corrente maximizado em níveis de potência mais baixos com tempos de comutação mais rápidos e maior largura de banda. Uma manipulação da Lei de Ohm mostra a importância da mobilidade da portadora na maximização da corrente. A corrente é diretamente proporcional à mobilidade da portadora

As opções para maximizar o fluxo de corrente através de um dispositivo incluem aumento de voltagem, concentração de portadores de carga, área da seção transversal da amostra ou mobilidade dos portadores de carga. Todas, exceto a última, têm sérias desvantagens.

Medindo a mobilidade
O primeiro passo para determinar a mobilidade da portadora é medir a tensão de Hall (VH) forçando um campo magnético perpendicular à amostra (B) e uma corrente através da amostra (I). Essa combinação cria uma corrente transversal. O potencial resultante (VH) é medido através do dispositivo. Medições precisas da espessura da amostra (t) e sua resistividade (r) também são necessárias. A resistividade pode ser determinada usando uma sonda de quatro pontos ou a técnica de medição de van der Pauw. Com apenas esses cinco parâmetros (B, I, VH, t e resistividade), a mobilidade de Hall pode ser calculada:
Tanto as tensões de Hall quanto a resistividade de van der Pauw medida são normalmente muito pequenas, portanto, as técnicas corretas de medição e média são essenciais para resultados de mobilidade precisos.

Por que ímãs permanentes são necessários em sensores de efeito Hall

O sensor de efeito Hall ou transdutor de efeito Hall é um sensor integrado baseado no efeito Hall e composto de elemento Hall e seu circuito auxiliar. O sensor Hall é amplamente utilizado na produção industrial, transporte e vida diária. Da estrutura interna do sensor Hall, ou no processo de uso, você descobrirá que o ímã permanente é uma parte de trabalho importante.

O efeito Hall é essencialmente a deflexão de partículas carregadas em movimento causada pela força de Lorentz no campo magnético. Quando partículas carregadas (elétrons ou buracos) são confinadas em materiais sólidos, essa deflexão leva ao acúmulo de cargas positivas e negativas na direção perpendicular à corrente e ao campo magnético, formando assim um campo elétrico transversal adicional.

Sabemos que quando os elétrons se movem em um campo magnético, eles serão afetados pela força de Lorentz. Como acima, vamos primeiro olhar para a imagem à esquerda. Quando o elétron se move para cima, a corrente gerada por ele se move para baixo. Bem, vamos usar a regra da mão esquerda, deixe a linha de detecção magnética do campo magnético B (disparada na tela) penetrar na palma da mão, ou seja, a palma da mão está para fora, e apontar quatro dedos para a direção da corrente, ou seja, quatro pontos para baixo. Então, a direção do polegar é a direção da força do elétron. Os elétrons são forçados para a direita, então a carga na placa fina se inclinará para um lado sob a ação do campo magnético externo. Se o elétron se inclinar para a direita, uma diferença de potencial será formada nos lados esquerdo e direito. Conforme mostrado na figura à direita, se o voltímetro estiver conectado aos lados esquerdo e direito, a voltagem será detectada. Este é o princípio básico da indução de Hall. A voltagem detectada é chamada de voltagem induzida por Hall. Se o campo magnético externo for removido, a voltagem Hall desaparece. Se representado por uma imagem, o efeito Hall é como a figura a seguir:

I: Direção atual,

B: Direção do campo magnético externo,

V: Tensão Hall, e os pequenos pontos na caixa podem ser considerados elétrons.

Do princípio de funcionamento do sensor Hall, pode-se descobrir que o sensor de efeito Hall é um sensor ativo, que deve exigir fonte de alimentação externa e campo magnético para funcionar. Considerando os requisitos de pequeno volume, peso leve, baixo consumo de energia e uso conveniente na aplicação do sensor, um simples ímã permanente em vez de um eletroímã complexo é usado para fornecer o campo magnético externo. Além disso, nos quatro principais tipos de ímãs permanentes, os ímãs de terras raras SmCo e NdFeB têm vantagens como altas propriedades magnéticas e estabilidade de trabalho estável, o que pode permitir que o transdutor ou sensor de efeito Hall de alto desempenho alcance precisão, sensibilidade e medições confiáveis. Portanto, NdFeB e SmCo usam mais como ímãs transdutores de efeito Hall.

Nossa fábrica

A Dexing Magnet está localizada na cidade de Xiamen, China, que é uma bela península e um porto marítimo internacional, com fábrica em Jiangsu, Zhejiang, China, foi fundada em 1985, a antiga identidade é uma fábrica militar, pesquisando e desenvolvendo peças de comunicação, esta instalação foi posteriormente adquirida pelo Dexing Group em 1995.

Perguntas frequentes

P: O que é o sistema de medição do efeito Hall?

R: O efeito Hall é um fenômeno que produz uma diferença de voltagem (a voltagem Hall) através de um condutor elétrico, transversal a uma corrente elétrica no condutor e a um campo magnético aplicado perpendicular à corrente.

P: O que é a técnica de medição de Hall?

R: Uma configuração básica de medição de efeito Hall provavelmente incluirá os seguintes componentes e extras opcionais: Uma fonte de corrente constante de uma magnitude que depende da resistência da amostra. Para amostras de materiais de baixa resistividade, a fonte deve ser capaz de produzir de miliamperes a ampères de corrente.

P: Qual é a definição simples do efeito Hall?

R: O efeito Hall é a deflexão de elétrons (buracos) em um semicondutor tipo n (tipo p) com corrente fluindo perpendicularmente a um campo magnético. A deflexão desses portadores carregados configura uma voltagem, chamada de voltagem Hall, cuja polaridade depende da carga efetiva do portador.

P: O que o efeito Hall nos permite determinar?

R: Por outro lado, se o campo magnético for conhecido, o efeito Hall pode ser usado para caracterizar a velocidade de deriva dos elétrons e outras quantidades microscópicas para o material do qual a sonda Hall é feita. O efeito Hall nos permite determinar que são cargas negativas que fluem, e não cargas positivas.

P: O que é o efeito Hall para leigos?

R: O Efeito Hall é o movimento de elétrons através de um condutor em direção a uma atração magnética. Ele causa um diferencial de voltagem mensurável através do condutor, de modo que um lado é carregado positivamente e o outro negativamente.

P: O que a corrente do efeito Hall mede?

R: A detecção de corrente de efeito Hall permite o controle em tempo real em sistemas de inversores solares com tensões de trabalho reforçadas de até 1.100 V. Os sensores de corrente de efeito Hall permitem medições de corrente para trilhos de até 1.100 V, com isolamento reforçado para garantir a segurança de outros componentes eletrônicos do sistema.

P: Como o efeito Hall mede a velocidade?

R: Se um elemento Hall for instalado próximo ao toca-discos, quando o toca-discos gira com o eixo, o elemento Hall é afetado pelo campo magnético gerado pelo ímã, então ele emite um sinal de pulso cuja frequência é proporcional à velocidade. Então, a velocidade pode ser calculada medindo o período ou a frequência do pulso.

P: Para que serve um captador de efeito Hall?

R: O captador de efeito Hall pode ser usado para medição de corrente por campo magnético produzido devido ao fluxo de corrente.

P: O efeito Hall é verdadeiro para metais e semicondutores?

R: Afirma que se um espécime (metal ou semicondutor) conduzindo uma corrente (I) for colocado em um campo magnético transversal (B), um campo elétrico é induzido na direção perpendicular a I e B.

P: Por que o efeito Hall é tão importante?

R: O efeito Hall pode ser usado também para medir a densidade de portadores de corrente, sua liberdade de movimento ou mobilidade, bem como para detectar a presença de uma corrente em um campo magnético.

P: Qual é o princípio básico do efeito Hall?

R: O princípio do efeito Hall afirma que quando um condutor de corrente ou um semicondutor é introduzido em um campo magnético perpendicular, uma voltagem pode ser medida no ângulo reto ao caminho da corrente. Esse efeito de obter uma voltagem mensurável é conhecido como efeito Hall.

P: Qual é o objetivo do efeito Hall?

R: O efeito Hall é básico para a física do estado sólido e uma importante ferramenta de diagnóstico para a caracterização de materiais – particularmente semicondutores. Ele fornece uma determinação direta tanto do sinal dos portadores de carga, por exemplo, elétrons ou buracos (apêndice A), quanto de sua densidade em uma dada amostra.

P: O que é o efeito Hall na medição?

R: Como resultado, o efeito Hall é muito útil como um meio de medir a densidade de portadores ou o campo magnético. Uma característica muito importante do efeito Hall é que ele diferencia entre cargas positivas se movendo em uma direção e cargas negativas se movendo na direção oposta.

P: Para que o efeito Hall é usado na vida real?

R: As aplicações para CIs de efeito Hall incluem uso em sistemas de ignição, controles de velocidade, sistemas de segurança, controles de alinhamento, micrômetros, interruptores de limite mecânicos, computadores, impressoras, unidades de disco, teclados, máquinas-ferramentas, interruptores de chave e interruptores de botão.

P: O que não pode ser determinado pelo efeito Hall?

R: O efeito Hall não pode ser usado para determinar o campo magnético, que não atua perpendicularmente à direção do campo elétrico.

P: O que você pode descobrir usando o efeito Hall?

R: Então, o efeito Hall é usado para medir a concentração de portadores de carga dos semicondutores ou isolantes e a voltagem produzida pelo campo magnético.

P: Qual é a essência do efeito Hall?

R: Em essência, o Efeito Hall envolve portadores de carga (geralmente, elétrons) se movendo em uma direção em ângulo reto em relação a uma corrente elétrica e a um campo magnético.

P: Em que um dispositivo de efeito Hall detecta uma mudança?

R: Usando semicondutores (como silício), os sensores de efeito Hall funcionam medindo a voltagem variável quando o dispositivo é colocado em um campo magnético. Em outras palavras, uma vez que um sensor de efeito Hall detecta que agora está em um campo magnético, ele é capaz de sentir a posição dos objetos.

P: Qual é o propósito da medição de Hall?

R: Uma medição do efeito Hall e da resistividade fornece uma riqueza de informações, como a densidade da portadora, a mobilidade das portadoras e o tipo de portadora. A densidade da portadora é o número de portadoras móveis por volume no material e, para semicondutores, está relacionada à dopagem do semicondutor.

P: Como o efeito Hall mede a corrente?

R: Eles consistem em um sensor de efeito Hall montado na abertura de um núcleo magnético. A saída do sensor de efeito Hall é amplificada e mede o campo criado pela corrente sem fazer nenhum contato com ela. Isso fornece isolamento galvânico entre o circuito e o sensor.

Como um dos principais fabricantes e fornecedores de sistemas de medição de efeito hall na China, damos boas-vindas calorosamente para você comprar um sistema de medição de efeito hall personalizado de nossa fábrica. Todos os equipamentos são de alta qualidade e preço competitivo.

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