Halleffekten och dess inverkan på modern teknologi

Halleffekten är en teknologi som genererar en spänning över en ledare när den utsätts för ett magnetfält vinkelrätt mot strömriktningen. Denna effekt utgör grunden för Halleffektsensorer. De senaste framstegen har lett till två- och tredimensionella varianter, vilket avsevärt förbättrar deras tillämpningar i olika industrier.

Upptäckten

Halleffekten har fått sitt namn efter fysikern Edwin Hall som upptäckte fenomenet 1879. Edwin Hall upptäckte att om en strömförande ledare placeras vinkelrätt mot ett magnetfält bildas en potentialskillnad över ledaren. Detta kallas Hallspänning (Hall voltage).

Utan påverkan av ett externt magnetfält flödar de elektriska laddningarna i en ledare i en rak linje, men i ett magnetfält, vinkelrätt mot ledaren, kommer laddningarnas flöde böjas av en kraft. Denna kraft kallas Lorentzkraft. Den potentialskillnad som bildas av de böjda laddningarna är Hallspänning.

Hall-effect princi

Halleffektsensorer

Även om Halls upptäckt följdes av framgångsrika experiment var den praktiska användningen för Hall-effekt begränsad. Detta ändrades i och med utvecklingen av halvledare på 60-talet. De första halleffektsensorerna var en kombination av halleffekt-sensorelement och spänningsregulatorer som utvecklades till de första halleffektsbrytarna i en integrerad krets.

Idag är halleffektsensorer tillgängliga med en stor variation av egenskaper för olika applikationer. En modern sensorkrets har kapacitet men integreras ofta i en givare. Givarens egenskaper kan variera men de är ofta utrustade med spänningsregulator, skydd för EMC, kalibreringsfunktioner, mekanisk inkapsling av elektronik och magnet, elektrisk anslutning mm.

Läs mer om sensorer och givare i vår artikel som förklarar de olika begreppen.

Hal leffect Head-on linear

Magnetiskt flöde och orientering

Halleffektsensorer påverkas av två magnetiska egenskaper; magnetiskt flöde och hur magnetens polaritet är orienterad i förhållande till sensorn. En korrekt konfiguration av sensorn, magnet och orientering är nödvändigt för korrekt prestanda då endast de magnetiska vektorer som är vinkelräta mot sensorn påverkar halleffektelementet.

Även om detta är sant i teorin och för en-dimensionella sensorer har utvecklingen av två- och tredimensionella sensorer ökat flexibiliteten i magnet-sensorkonfiguration. Läs vidare i stycket om 2D- och 3D-sensorer. Halleffektsensorer finns i olika varianter, designade för en specifik magnetisk flödestäthet och en viss magnetorientering, till exempel linjärt rakt mot sensorn, svepande över sensorn eller roterande. Denna funktionalitet är oftast inbyggd i halleffektgivare.

Magnetiskt flöde och orientering

Halleffektsensorer påverkas av två magnetiska egenskaper, magnetiskt flöde och hur magnetens polaritet är orienterad i förhållande till sensorn. Korrekt konfiguration av sensor, magnet och orientering är nödvändig för korrekt prestanda då endast de magnetiska vektorer som är vinkelräta mot sensorn påverkar halleffektelementet. Även om detta är sant i teorin och för en-dimensionella sensorer har utvecklingen av två- och tredimensionella sensorer ökat flexibiliteten i magnet-sensorkonfiguration. Läs mer i stycket om 2D- och 3D-sensorer. Halleffektsensorer finns i olika varianter, designade för en specifik magnetisk flödestäthet och en viss magnetorientering t ex linjärt rakt mot sensorn, svepande över sensorn eller roterande. Denna funktionalitet är oftast inbyggd i halleffektgivare.

Brytande och absolutsensorer

De första halleffektsensorerna var brytande, vilket innebär att sensorn bryter när den magnetiska flödestätheten passerar ett givet gränsvärde. Brytande sensorer kan användas fristående som till exempel en gränslägesbrytare, eller vara integrerade i en inkrementell givare genom att kombinera sensorn och en magnet med speciella egenskaper. Typiska applikationer är magnetiska encoders och kuggkrans-givare.

Den enklaste varianten av absolutsensor är den ratiometriska sensorn, där utsignalen är proportionell till magnetfältstyrkan och dess orientering. Detta är grundprincipen för alla analoga halleffektsensorer men idag finns en mängd olika alternativ. Analoga sensorer används I linjär- och vinkelgivare som finns med olika funktioner och val av utsignal, matningsspänning, programmerbara parametrar etc. Analoga givare används i en stor variation av applikationer till exempel linjär positionering av cylindrar, mätning av styrvinkel i bilar, kranstyrning, gaspedaler etcetera.

2D och 3D sensorer

Traditionella endimensionella sensorer känner bara av magnetfält som är vinkelräta mot sensorn. Detta kräver noggrann positionering av magneten då toleranserna för magnetavstånd och rörelse är låg. Även materialegenskaper så som varianser i magnetfältstyrka i olika magneter, temperaturvariationer etcetera spelar roll.

Med två- eller tredimensionella sensorer mäts magnetfältet i två eller tre dimensioner; X, Y och Z. Detta är användbart för flerdimensionell positionering till exempel i joysticks. Detta möjliggör även en mer robust och noggrann positionering i roterande och linjära givare genom att nyttja fler dimensioner i beräkningen av position.

Utforska våra vinkelgivare med halleffekt.
Kontakta oss om du behöver hjälp att hitta rätt givare till din applikation.