Sensore di Hall
Introduzione
Il fenomeno fisico di hall fu scoperto dal fisico statunitense E. Hall nel 1880.
Se un conduttore o semiconduttore percosso da corrente elettrica è immerso in un campo magnetico, tra le superfici perpendicolare alla direzione della corrente, si genera una differenza di potenziale, proporzionale all’intensità della corrente e dal campo magnetico.
Conduttore percorso da una corrente
Consideriamo un primo esempio, un conduttore a cui è stata applicata una differenza di potenziale ai suoi capi, pertanto in esso scorre una corrente elettrica.
Se colleghiamo un voltometro, come in figura 1, la tensione misurata è nulla.
Conduttore percorso da una corrente immerso in un campo magnetico
A differenza del caso precedente, il conduttore è immerso in un campo magnetico esterno, come in figura 2
In questo esperimento il voltometro rileverà una tensione ai suoi capi che dipenderà dall’intensità del campo magnetico, della corrente che scorre nel conduttore e dall’angolo compreso tra il vettore del campo magnetico e la direzione della corrente.
Il massimo contributo si raggiunge quando l’angolo è 90°.
Forza di Lorentz
L’effetto hall si basa sulla legge di Lorentz:
Il simbolo “x” è definito “prodotto vettoriale” e si calcola nel seguente modo:
Il prodotto vettoriale è dato dal prodotto dei moduli del vettore velocità e campo magnetico per il seno dell’angolo compreso tra i due vettori, velocità e campo magnetico.
L’intensità della forza è massima, a parità d’intensità del campo magnetico e della velocità, quando i due vettori sono perpendicolari tra di loro, poiché il seno di un angolo di 90° è 1.
La direzione della forza applicata sulle cariche dipende dal segno della carica indi per cui, la forza applicata su cariche di segno diverso avrà direzione opposta.
Le cariche di segno opposto, spinte dalla forza di Lorentz, saranno concentrate su una superfice antistante e per questo motivo si genera una differenza di potenziale.
Le figure 4 e 5 possono chiarire il principio fisico.
Dinamica della tensione di Hall
La tensione prodotta dall’effetto hall, è di piccola entità, ne consegue che per aumentare la dinamica del segnale, bisogna amplificarlo.
Generalmente il sensore di hall ha già al suo interno un amplificatore.
Per usare in modo efficace i sensori ad effetto Hall è necessario posizionarlo correttamente rispetto al campo magnetico.
Nella figura 7 si mostra come l’intensità del campo magnetico decresce con l’aumentare della distanza.
Sensori ad effetto di Hall
Possiamo distinguere il sensore ad effetto hall in tre principali categorie:
Switch (Interruttore)
Se il campo magnetico supera una prestabilita soglia, il sensore genera un livello di tensione alto sulla sua uscita e può essere elaborata da un sistema digitale.
Applicazioni pratiche
Come interruttori nei laptop, nelle porte dei frigoriferi e negli interruttori di fine corsa.
Latch
Le caratteristiche di questa tipologia sono simili al precedente sensore, ma in questo caso, quando l’uscita cambia stato, per ritornare nelle condizioni precedenti, non è sufficiente diminuire l’intensità del campo magnetico ma è necessario anche cambiare la sua polarità.
Applicazioni pratiche
Se il campo magnetico prodotto da un conduttore percorso da una corrente elettrica, supera la soglia predefinita, il sensore può interrompere la linea, tramite un relè.
L’aumento dell’intensità del campo magnetico può essere causato da un aumento della corrente in uscita determinata da un corto circuito.
Lineare
È un dispositivo analogico che genera una tensione d’uscita proporzionale al campo magnetico che incide su di esso.
In assenza di campo magnetico, la sua tensione d’uscita è pari alla metà della tensione di alimentazione.
Se le linee di campo aumentano verso la polarità Nord, la tensione di uscita diminuirà fino a raggiungere il valore di ground.
Se le linee di campo aumentano verso la polarità Sud la tensione di uscita aumenterà fino a raggiungere il valore di tensione dell’alimentazione.
Applicazioni pratiche
I sensori lineari possono misurare con precisione lo spostamento di un oggetto, quindi sono adatti per attuatori lineari, trigger a velocità variabile e pedali per la regolazione dell’accelerazione.
Conclusioni
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