Hall Effect Sensoren: Principes, Toepassingen en Ontwerp

Het Hall-effect is genoemd naar Edwin Hall, die in 1879 ontdekte dat wanneer een magneetveld door een stroomdragende geleidende plaat gaat in een richting loodrecht op het vlak van de plaat, een spanningsverschil over de plaat ontstaat. De Lorentzkracht, afgebeeld in het bovenste paneel, is het onderliggende fysieke principe achter het Hall-effect. Wanneer een elektronen beweegt in een richting loodrecht op het toegepaste magneetveld B, ondergaat het een kracht genaamd de Lorentzkracht, die normaal is op zowel het toegepaste veld als de stroomrichting.

Een Hall-effect sensor (of simpelweg Hall-sensor) is een type sensor dat het Hall-effect gebruikt om de aanwezigheid en amplitude van een magneetveld te detecteren. De uitgangsspanning van de Hall-sensor is evenredig aan de veldsterkte.

Wat is een Hall Effect Sensor?

Een magnetische sensor is een vorm van een Hall-effect sensor. Een Hall-effect sensor is een transducer die reageert op veranderingen in een magneetveld door zijn uitgangsspanning te variëren. Het is een elektronisch apparaat dat het Hall-effect detecteert en de bevindingen omzet in elektronische data, die gebruikt kan worden om een schakeling in- en uit te schakelen, een fluctuerend magneetveld te meten, te worden verwerkt door een geïntegreerde computer, of te worden weergegeven op een interface.

Wanneer een magneet loodrecht op een stroomdragende geleider wordt geplaatst, worden de elektronen in de geleider naar één kant geduwd, wat resulteert in een potentiaalverschil in lading (spanning). De aanwezigheid en amplitude van een magneetveld nabij een geleider worden dus aangegeven door het Hall-effect.

Toepassingen van Hall Effect Sensoren

• Nabijheidssensing, positie, snelheidsdetectie en stroomsensing
• Tijden van wielenassen, zoals voor tachometers of ontbrandingstijden van verbrandingsmotoren
• Detectie van de positie van de permanente magneet in brushless DC elektricemotoren
• Detectie van bewegende elementen ter vervanging van mechanische ends Schalters; indexeren van rotatie of translatie

Werkingsprincipe

In de werking van een Hall-effect sensor loopt een continue stroom door een dun rechthoekig p-type halfgeleider materiaal zoals galliumarsenide (GaAs), indiumantimonide (InSb) of indiumarsenide (InAs) om een Hall-effect sensor te vormen. De magneetvlaklijnen oefenen een kracht uit op het halfgeleidermateriaal wanneer het apparaat in een magneetveld wordt geplaatst, wat de ladingdragers (elektronen en gaten) naar elke kant van de halfgeleiderplaat afbuigt. De magneetkracht die ladingdragers ondervinden tijdens het doorlopen van het halfgeleidermateriaal zorgt voor hun verplaatsing.

De opbouw van ladingdragers creëert een potentiaalverschil tussen de twee kanten van het halfgeleidermateriaal als elektronen en gaten naar de zijkanten migreren. De aanwezigheid van een extern magneetveld onder rechte hoeken tot het halfgeleidermateriaal beïnvloedt de doorgang van elektronen, en dit effect is groter in plat rechthoekig vormgegeven materiaal. Het Hall-effect is het resultaat van het gebruik van een magneetveld om een meetbare spanning te genereren.

Magneetvlaklijnen moeten loodrecht (90°) op de stroomrichting staan en de juiste polariteit hebben, meestal een zuidpool, om een potentiaalverschil over het apparaat te genereren. Het Hall-effect onthult het type magneetpool en de grootte van het magneetveld. Een zuidpool veroorzaakt bijvoorbeeld een spanningsuitgang, terwijl een noordpool geen effect heeft. Zonder magneetveld zijn Hall-effect sensoren en schakelaars bedoeld om in de 'UIT' (open circuit) toestand te zijn. Bij blootstelling aan een magneetveld van geschikte sterkte en polariteit schakelen ze 'AAN' (gesloten circuit).

Voordelen en Nadelen

Voordelen:

• Relatief goedkoop vergeleken met elektromagnetische schakelaars
• Werkt bij hoge frequenties
• Veilig voor diverse toepassingen: verplaatsing, positie, nabijheidssensoren
• Robuust en duurzaam, bestand tegen harde omstandigheden
• Bestendig tegen vochtverontreiniging
• Geen contactdenderproblemen

Nadelen:

Het enige nadeel van de Hall-effect sensor is dat door uittrekking van contact in het Hall-element en piezo-weerstandseffecten, de sensor zwakker wordt.

Conclusie

Een Hall-effect sensor detecteert de aanwezigheid en amplitude van een magneetveld. De uitgangsspanning is evenredig aan de veldsterkte. Deze sensoren zijn onmisbaar in moderne elektronica en automobieltechniek.