Hiệu ứng Hall (đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879) là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp một từ trƣờng vng góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện (thanh Hall) đang códịng điện chạy qua. Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thếHall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall (đặc trƣng cho vật liệu làm nên
thanh Hall). Các điện tích chịulực Lorentzbị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo
điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall.
Hình 4.18: Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh Hall
Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
Màu đỏ trên thanh Hall thể hiện sự tập trung của điện tích dƣơng, cịn màu xanh, ngƣợc lại, là nơi tập trung điện tích âm.
Cơng thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dịng điện và từ trƣờng là:
VH = (IB)/(den) ( 4.9)
VH là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện, B là cƣờng độ từ trƣờng, d là độ dày của thanh
Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này
trong thanh Hall. Hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dƣơng chạy trong
thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dƣơng. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall tăng lên một cách dị thƣờng, đƣợc biết đến là hiệu ứng Hall dị thƣờng, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu.
Hình 4.19: Đầu đo dịng điện có sẵn khuếch đại dùng hiệu ứng Hall.
Cấu tạo: Gồm có 1 động cơ, 1 nam châm hình đĩa trịn (Ring Magnet) nhƣ trong hình vẽ, 1 cảm biến Hall khi động cơ quay => đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo => từ trƣờng biến thiên. Cảm biến Hall Effect cảm nhận đƣợc sự biến thiên này và tạo tín hiệu điện áp đầu ra tƣơng ứng
Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
ra tín hiệu rất yếu và cần đƣợc khuếch đại.Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trƣờng, mà từ trƣờng đƣợc sinh ra từ mộtdịng điệnbất kỳ, do đó có thể đo cƣờng độ dịng chạy qua một dây điện khi đƣa dây này gần thiết bị đo. Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng chạy trong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall. Phƣơng pháp đo dòng điện này không cần sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu nhƣ không gây thêm điện trở phụ của máy đo trong mạch điện, và không bị ảnh hƣởng bởi nguồn điện (có thể là cao thế) của mạch điện, tăng tính an tồn cho phép đo.
Đo công suất điện :
Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cƣờng độ dịng điện và hiệu điện thế trên
mạch. Vậy có thể đo công suất này bằng cách đo dịng điện (nhƣ mơ tả ở trên) đồng thời với
việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để ni dịng qua thanh Hall. Phƣơng pháp nhƣ vậy có
thể đƣợc cải tiến để đo cơng suất dịng điện xoay chiều trong sinh hoạt dân dụng. Nó thƣờng chính xác hơn các thiết bị truyền thơng và ít gây cản trở dịng điện
Xác định vị trí và chuyển động
Hiệu ứng Hall có thểdùng đểxác định vịtrí cơ học. Các thiết bị kiểu này khơng có một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể đƣợc chế tạo kín, chịu đƣợc bụi, chất bẩn, độ ẩm, bùn lầy... Điều này giúp các thiết bị này có thểđo đạc vị trí tiện hơn dụng cụ quang học hay cơ điện.
Hình 4.21: Cảm biến Hall trong động cơ BLDC
Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động
Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các
khóa cơng suất cấp dịng DC cho cuộn dây stator tƣơng ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vùng
từ trƣờng và có một dịng điện DC chạy qua thì sẽ có một điện áp sinh ra tại ngõ ra của cảm biến. Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ. Điện áp V sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từtrƣờng. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân 1/0 do đó cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp
trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch
nhau một góc 120 độ điện hay 60 độđiện đểxác định chính xác vịtrí rotor đểđiều khiển tƣơng
ứng các pha của dòng điện phần ứng stator. Khởi động ô-tô
Khi quay ổ khóa khởi động ô-tô, một nam châm gắn cùng ổ khóa quay theo, gây nên thay đổi từtrƣờng, đƣợc cảm nhận bởi thiết bị dùng hiệu ứng Hall. Phƣơng pháp này tiện lợi vì nó khơng gây hao mịn nhƣ phƣơng pháp cơ học khác.
Dò chuyển động quay
Việc dò chuyển động quay tƣơng tự nhƣ trên rất có ích trong chế tạo hệ thống hãm phanh chống trƣợt nhạy bén hơn của ô-tô, giúp ngƣời điều khiển xe dễdàng hơn.
Ƣu điểm:
Cấu tạo đơn giản
Giá thành thấp
Hoạt động ổn định
Nhƣợc điểm
Kích thƣớc lớn, cồng kềnh Kém ổn định ở nhiệt độ cao
Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển