Efectul Hall

Trei dintre tehnologiile LEM sunt bazate pe efectul Hall descoperit de fizicianul american Edwin Herbert Hall la universitatea John Hopkins din Baltimore. Efectul Hall este creat de fortele Lorentz care actioneaza pe sarcini in miscare din in teriorul campului magnetic.

Un mic set de materiale conductoare sunt traversate in lungime de un curent de control I_C. Sarcinile mobile care transporta acest curent sunt afectate de fluxul magnetic exterior si genereaza forta Lorenz F_L care este perpendiculara pe directia de deplasare a curentului. Deflectia rezultata a curentului face ca mai multe sarcini sa fie aflate pe marginea materialului creand o diferenta de potential care se numeste tensiunea Hall V_H. Se obtine relatia :

unde K este constanaa Hall a materialului conductor, d-este grosimea materialului si V_OH este tensiunea generatorului Hall in absenta unui camp exterior. K/d I_C se numeste sensibilitatea generata de efectul Hall.

Aceasta sensibilitate si tensiunea Hall sunt dependente de temperatura dar aceasta dependenta este compensata de amplificarea electronica la care este conectat generatorul Hall.

Traductoarele cu bucla deschisa folosesc cea mai simpla aplicatie a efectului Hall. Ele ofera cea mai mica, usoara si ieftina solutie de masurare a curentului avand si un consum de curent foarte mic.

1.Constructie si principii de operare

Un conductor care transporta curent creaza un camp magnetic. Acest camp este concentrat in jurul unui centru magnetic. Acest centru magnetic are un gol prin el si un generator Hall este folosit sa fie sensibil la densitatea fluxului magnetic din gol. Curentul de control I_{C S}i amplificarea difereniala este suplinits de electronicele construite in traductor.

In interiorul regiunii lineare a buclei de histerezis a materialului folosit la circuitul magnetic, densitatea fluxului magnetic, B, este proportionala cu curentul primar, I_p, si cu tensiunea Hall, V_H. Deci iesirea generatorului Hall este proportionala cu curentul primar si cu tensiunea offset Hall V_OH.

2. Tehnologi ale efectului Hall

Performantele traductoarelor de curent si de tensiune sunt adesea limitate de caracteristicile materialului miezului magnetic (remanenta, histerezis, neliniaritate, pierderi, saturatie) deci proiectarea unui traductor cu intrefier sau fara miez este adesea luat in considerare.

In acest caz trebuie avute in vedere urmatoarele aspecte:

-masurarea unui curent continu necesita utilizarea unui element sensibil al campului datorita absentei unei zone de focalizare a campului trebuie avut in vedere un instrument cu sensibilitate mare (GMR, celula Hall) ideala intr-o zona din jurul conductorului.

-cand este utilizat in circuit magnetic poate fi folosit ca aparat de protectie impotriva unui camp magnetic exterior perturbator (ex campul magnetic al Terei), conductori externi cu sensibilitatea perturbarilor externe trebuie sa fie folositi intr-un mod diferit de exemplu intr-o anumita ordine a senzorilor campului in schimbul unui singur senzor sau cand bobinele sunt executate special dupa metoda Rogowschi, abilitatea de a redresa curentul dorit in timp ce respinge campul exterior este o provocare mare .

3. Descriere senzor Hall

Familia de senzori liniari Hall A132X sunt imbunatatiti, sensibili si stabili din punct de vedere al temperaturii. Acesti senzori Hall furnizeaza o tensiune de iesire care este proportionala cu campul magnetic aplicat. Aceasta familie de senzori A132X are o valoare de repaus a tensiuni de iesire egala cu jumatatea tensiuni de alimentare si sensibilitatea egala cu 2.5 mV/G, 3.125 mV/G, 5 mV/G. Aceste caracteristici ale familiei de senzori sunt ideale pentru folosirea in conditii grele din industria de automobile si la sistemele cu senzori liniari si de rotatie

Fiecare dispozitiv are un circuit monolitc BiCMOS care contine un element Hall, un circuit care imbunatateste compensarea temperaturii pentru a reduce deriva sensibilitatii intrinsece a elementului Hall, un amplificator cu castig al semnalului.

O proprietate dinamica a tehnici de anulare a offset-ului, cu un ceas intern de inalta frecventa, reduce efectul rezidual al tensiuni normal cauzat de overmolding, dependenta de temperatura si stresul termal. Ceasul de inalta frecventa permite o mai buna frecventa de comutare, de unde rezulta o mai buna acuratete si o procesare a semnalului mai rapida.Aceasta tehnica permite aparatelor o stabilitate excelenta a tensiuni de iesire, o imunitate le stresul mecanic si o revenire precisa dupa ciclu temperaturii. Avand elementul Hall si amplificatorul pe acelas cip se reduc multe probleme asociate in mod normal cu semnalele analogice de nivel scazut.

Precizia iesirii este obtinuta prin castigul intern si trimerarea offset-ului facuta la terminarea procesului de fabricatie al senzorului.

Caracteristici si beneficii

Stabilitatea temperaturii la tensiunea de repaus

Revenirea precisa a parametrilor dupa ciclu temperaturii

Tensiunea de iesire proportionala cu densitatea fluxului magnetic

Iesire ratiometrica rail-to-rail

Sensibilitate imbunatatita

Imunitate la stresul mecanic

Fiabilitate mare

Protectie mare EMC                

4.Caracteristici ale aparatului

5. Caracteristici magnetice

6. Amplificatorul de instrumentatie AD 620

Amplificatorul AD 620 este ieftin, cu acuratete ridicata si care necesita doar un rezistor extern pentru a avea castigul de la 1 la 1000, in plus este mic si poate fi folosit cu uni curenti foarte josi, doar 1.3 mA curent de alimentare maxim, facandul foarte folositor pentru aplicatiile cu baterii, aplicatii portabile, etc.

AD 620 datorita acuratetii ridicate, tensiuni de offset scazute d 50μV max si reglajul driftului de0.6 μV/ max, este ideal a fi folosit la sistemele performante de achizitie de date. Mai mult, zgomotul redus, curentul de intrare mic si puterea folosita mica fac ca AD 620 sa fie folosit si in aplicatiile madicale.

Performante ale amplificatorului AD 620

Easy to Use

Gain Set with One External Resistor

(Gain Range 1 to 10,000)

Wide Power Supply Range (_2.3 V to _18 V)

Higher Performance than 3 Op Amp IA Designs

Available in 8-Lead DIP and SOIC Packaging

Low Power, 1.3 mA Max Supply Current

Excellent DC Performance (B Grade)

50 _V Max, Input Offset Voltage

0.6 _V/_C Max, Input Offset Drift

1.0 nA Max, Input Bias Current

100 dB Min Common-Mode Rejection Ratio (G = 10)

Low Noise

9 nV/ Hz, @ 1 kHz, Input Voltage Noise

0.28 _V p-p Noise (0.1 Hz to 10 Hz)

Excellent AC Specifications

120 kHz Bandwidth (G = 100)

15 _s Settling Time to 0.01%

7.Concluzii

Senzorul Hall ales este A1323 care ne permite un domeniu larg de masura, avand o sensibilitate de 2.5 mV/G, astfel evitandu-se saturarea amplificatorului senzorului.

Amplificatorul de instrumentatie permite reglarea castigului prin formula :

si astfel rezulta ca :

Prima operatie care se executa este aceea de reglare a offset-ului din potentiometrul de 10 K de la intrarea negativa a primului A.I.

Tensiunea de alimentare a circuitului este de ± 6 V

Valoare potentiometrul de la finalul schemei se calculeaza astfel :

Bmax = 100 G ; A= x 10 Vout = 2.5 V

Bmax = 1000 G; A= x 1          V out = 2.5 V

Tensiunea Hall este masurata cu un milivoltmetru magnetoelectric