Capire il Magnetismo: Sensori ad Effetto Hall e le Loro Applicazioni nei PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: October 31, 2021
Levitazione magnetica sopra un superconduttore ad alta temperatura

Il magnetismo permette di fare cose davvero interessanti, specialmente quando gli elettroni si muovono attraverso un campo magnetico. I sensori ad effetto Hall sono dispositivi che utilizzano la deflessione del movimento degli elettroni per il rilevamento. Questi piccoli dispositivi sono utilizzati nell'industria automobilistica, manifatturiera, nell’elettronica di consumo e altri settori. L'effetto di Hall consente fondamentalmente di rilevare un campo magnetico, il che offre diverse possibili applicazioni.

Alcune di queste includono il rilevamento del movimento e di oggetti magnetizzati attraverso una misurazione diretta del campo magnetico. Ho lavorato su un paio di progetti per cui era necessario rilevare se un otturatore fosse chiuso completamente o meno. Ho deciso di utilizzare un sensore ad effetto Hall aggiungendo un magnete al contenitore. Ma come funzionano esattamente questi dispositivi, e in che modo questo influisce sulla progettazione PCB? Continua a leggere per saperne di più su questi dispositivi davvero particolari.

Un sensore ad effetto Hall sfrutta, come suggerisce il nome, l'effetto di Hall, che può verificarsi in un metallo o in un semiconduttore. Questo effetto si basa sull'interazione fondamentale tra un elettrone e un campo magnetico. Qualsiasi oggetto con carica elettrica che si muove in direzione perpendicolare a un campo magnetico subisce la forza di Lorentz. È proprio questa forza a produrre il segnale elettrico che viene misurato attraverso il corpo del dispositivo.

Questa forza fa anche sì che le particelle cariche (elettroni e lacune in un semiconduttore ad alta mobilità come l'arseniuro di gallio, o gli elettroni nei metalli) vengano deflesse quando passano attraverso un campo magnetico, in una direzione determinata dalla regola della mano destra. L'effetto Hall applica gli stessi principi ai semiconduttori, causando l'accumulo di carica lungo un lato del conduttore e creando un campo elettrico in contrasto con la forza del campo magnetico. La forza trasversale di Lorentz spinge gli elettroni a seguire un percorso curvo lungo un lato del semiconduttore. La regola della mano destra ci dice quindi che la direzione della forza di Lorentz è in relazione alla direzione degli elettroni.

Posizionando alcune connessioni d'uscita perpendicolari alla direzione del flusso di corrente, si forma un elemento di Hall. Esiste una differenza di potenziale tra il lato positivo superiore e il lato negativo del conduttore. È proprio questa differenza di potenziale a generare una tensione misurabile, chiamata tensione di Hall.

Mentre è la direzione del campo magnetico applicato a determinare la polarità della tensione di Hall, la tensione rimane proporzionale all'intensità del campo applicato. Eliminando il campo magnetico, la corrente cesserebbe di essere deviata, mentre la differenza di potenziale attraverso l'uscita scenderebbe a zero. È a questo punto che diventa interessante analizzare i fattori capaci di influenzare la tensione. La tensione di Hall dipende infatti da:

  • L'ampiezza della corrente che scorre attraverso il conduttore
  • La forza del campo magnetico
  • La carica elementare dell'elettrone
  • La densità dei portatori di carica
  • Lo spessore del materiale che trasporta la corrente deviata
sensore a effetto Hall integrato
I sensori ad effetto Hall possono essere integrati in alcuni assiemi elettronici, come questo motore.

Ciascuno di questi fattori ha un impatto sui semiconduttori influenzati dall'effetto di Hall. Posizionare un chip di silicio che trasporta corrente ad angolo retto rispetto a un campo magnetico produce tensione di Hall di basso livello. La tensione di Hall è una funzione della corrente d'ingresso.

Quando applicato ai semiconduttori, l'effetto Hall crea un interruttore digitale che produce un efficiente segnale ad onda quadra on-off. Un disturbo tra il campo magnetico e il chip di silicio produce un'uscita zero. Il collegamento di circuiti aggiuntivi al semiconduttore produrrebbe invece l'effetto opposto, consentendo l'interruzione del campo magnetico per produrre un aumento della tensione d'uscita.

I Sensori ad Effetto Hall Necessitano di Bassi Livelli di Rumore

I sensori ad effetto Hall richiedono un amplificatore a basso rumore e guadagno moderato per amplificare la tensione Hall di 30 µV, nonché l'aggiunta di un regolatore per mantenere costante la corrente. La tensione d'uscita amplificata del sensore ad effetto Hall avviene solo in funzione del campo magnetico. Detto questo, gli interruttori ad effetto Hall funzionano come un sensore Hall ideale (grazie alla tensione d'uscita).

I sensori ad effetto Hall digitali rilevano il campo magnetico, cambiando stato quando il sensore raggiunge il punto di funzionamento. Diminuendo il campo magnetico fino a quando il sensore magnetico raggiunge il suo punto di rilascio, il sensore ad effetto Hall torna al suo stato originale. I punti fondamentali da tenere a mente per la progettazione dei sensori ad effetto Hall includono:

  • Determinazione della grandezza fisica da rilevare
  • Definizione dell'approccio migliore per rilevare la quantità fisica
  • Ottimizzazione dell'interfaccia di ingresso per il sensore ad effetto Hall
  • Ottimizzazione del sistema magnetico
  • Selezione dei sensori ad effetto Hall
  • Ottimizzazione dell'interfaccia di output

Sono diversi i tipi di sensori ad effetto Hall integrabili nella progettazione PCB, fra cui: sensori di posizione a banderuola, sensori d'ingranaggio, sensori di corrente digitale, sensori di corrente lineare, chiavistelli, sensori di corrente ad anello chiuso, interruttori unipolari e interruttori ad azionamento meccanico.

Sensori magnetici pinzati in una pinzetta
I sensori ad effetto Hall sono disponibili in package di piccole dimensioni.

Sebbene i sensori a effetto Hall possano essere uno strumento potente all'interno della progettazione PCB, il primo passo da compiere rimane la scelta del tipo di software di progettazione PCB in base alle proprie esigenze di progettazione. Quando hai bisogno di uno strumento di layout PCB intuitivo e dotato di tutto il necessario per costruire circuiti stampati di alta qualità, quello che ti serve è CircuitMaker. Non solo avrai a disposizione un software di progettazione PCB di facile utilizzo, gli utenti di CircuitMaker hanno anche accesso a uno spazio di lavoro personale sulla piattaforma Altium 365. Potrai caricare e archiviare i tuoi dati di progettazione nel cloud e visualizzare facilmente i tuoi progetti tramite il browser, all'interno di una piattaforma sicura.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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