L’effetto Hall, scoperto nel 1879 dal fisico Edwin Hall, è un fenomeno fisico che ha trovato ampie applicazioni nella tecnologia moderna. L’applicazione dei sensori ad effetto Hall è essenziale in numerosi settori, permettendo il rilevamento di posizione, velocità, corrente elettrica, parametri di sicurezza e molti altri parametri in diversi sistemi. Questo articolo esplora in breve il funzionamento e le principali applicazioni dei sensori ad effetto Hall.
Descrizione dell’Effetto Hall
L’effetto Hall è un fenomeno osservabile in metalli e semiconduttori, che si manifesta con la comparsa di una tensione elettrica, denominata tensione di Hall, tra due estremi di un campione. In un conduttore, il flusso di corrente elettrica deriva dal movimento di cariche associato alla presenza di un campo elettrico. Applicando un campo magnetico in una direzione perpendicolare alla direzione di movimento delle cariche, queste si accumuleranno al punto che le cariche opposte appariranno sulle facce opposte del conduttore. Questa distribuzione di cariche produce una differenza di potenziale attraverso il materiale, che si oppone alla migrazione di altre cariche, creando un potenziale elettrico costante finché le cariche fluiscono nel materiale e il campo magnetico è attivo.
Per illustrare meglio l’effetto Hall, potremmo prendere in considerazione quello che accade con un campione di semiconduttore di tipo p a forma di parallelepipedo, di lunghezza l lungo la direzione della corrente elettrica, un’area trasversale S, e una distanza d. Colleghiamo un generatore di tensione U al campione, causando una corrente elettrica di intensità I che scorre dal terminale positivo verso il negativo.
In assenza di un campo magnetico esterno, si può considerare un comportamento lineare secondo U= R * I, dove R è la resistenza del campione.
Effetti di un Campo Magnetico
Ipotizzando ad esempio che il semiconduttore sia di tipo p, gli elettroni di conduzione si muovono attraverso il campione di semiconduttore in direzione opposta. Qualsiasi particella elettricamente carica che si muove in un campo magnetico agisce la forza di Lorentz, quindi causerà un accumulo di cariche elettriche positive su un lato del campione di semiconduttore, mentre il lato opposto sarà caricato elettricamente in modo negativo.
Ciò significa che tra i due lati opposti del semiconduttore, parallelamente alla direzione della corrente elettrica, ci si troverà di fronte a una differenza di potenziale, o a una tensione elettrica, chiamata tensione di Hall. Le misurazioni della tensione di Hall vengono utilizzate per determinare la densità e il segno dei portatori di carica in un materiale, oltre che come metodo per determinare i campi magnetici.
Questa tensione può essere indicata come:
Per un maggiore approfondimento, si rimanda a questo articolo sull’argomento.
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. L’accumulo di cariche elettriche dovuto alla forza di Lorentz non continua all’infinito. Raggiunto un certo punto, il campo elettrico di Hall generato si oppone ulteriormente all’accumulo di cariche, stabilendo uno stato di equilibrio dinamico.
Applicazioni dei Sensori ad Effetto Hall
Per molti anni l’effetto Hall non è stato sfruttato nelle applicazioni pratiche, sia a causa del costo elevato delle prime versioni di sensori ad effetto Hall, che per la bassa tensione generata. Tuttavia, con l’inizio della produzione di massa di chip semiconduttori, nel XX secolo, i chip basati sull’effetto Hall divennero più efficienti ed economici. I circuiti integrati (IC) ad effetto Hall sono composti da un sottile strato di silicio come generatore di Hall e da diversi transistor, necessari ad amplificare la tensione di Hall ad un livello rilevabile. Quindi, negli anni le applicazioni dei sensori ad effetto Hall sono diventate sempre più versatili ed affidabili, risultando utili in una vasta gamma di applicazioni.
Sfruttando il principio dell’effetto Hall, questi sensori rilevano variazioni nei campi magnetici, permettendo di monitorare e misurare diversi parametri, come ad esempio la posizione del rotore di un motore elettrico, la velocità di rotazione e la corrente elettrica che scorre attraverso un circuito. Di seguito esploreremo tre delle principali applicazioni dei sensori ad effetto Hall. Qui di seguito si presentano alcuni esempi.
Applicazioni nei Sensori di Posizione
I sensori ad effetto Hall sono ampiamente utilizzati per rilevare la posizione di oggetti in movimento, come componenti meccanici in macchinari industriali, veicoli e apparecchiature elettroniche. Ad esempio, nei motori DC senza spazzole (BLDC), i sensori ad effetto Hall potrebbero essere utilizzati per determinare la posizione del rotore, permettendo un controllo preciso della velocità. Nei motori più moderni esistono comunque delle tecniche più avanzate.
I sensori di Hall, sono generalmente impiegati anche nei sistemi di frenata antibloccaggio (ABS) dei veicoli. In questo caso permettono di rilevare la velocità di rotazione delle ruote ed aiutano a prevenire il bloccaggio durante la frenata.
Applicazioni nei Sensori di Corrente
Misurare la corrente elettrica è indispensabile in una vasta gamma di applicazioni e dispositivi, inclusi alimentatori, BMS, sistemi di gestione della carica dei veicoli elettrici, monitoraggio dei consumi energetici. Un’altra applicazione interessante dei sensori ad effetto Hall è quella che riguarda la misurazione della corrente elettrica nei circuiti, senza contatto diretto con il conduttore. Questo è particolarmente utile in presenza di correnti elevate.
Applicazioni nei Dispositivi di Sicurezza
Un’altra applicazione dei sensori ad effetto Hall è prevista anche nei dispositivi di sicurezza, come interruttori e serrature magnetiche. In questi contesti, i sensori rilevano la presenza o mancanza di un campo magnetico determinando l’attivazione o disattivazione di un circuito. Viene così garantito il funzionamento dei dispositivi solo in presenza delle condizioni di sicurezza previste. Un esempio basilare è quello dei sistemi di allarme per porte e finestre, nei quali i sensori ad effetto Hall possono rilevare l’apertura non autorizzata.
Sensori ad Effetto Hall per Applicazioni a Bassa Potenza
I sensori ad effetto Hall per applicazioni a bassa potenza sono progettati per operare con un consumo energetico minimo, rendendoli ideali per qualsiasi tipologia di dispositivo. Questi sensori sono spesso utilizzati in dispositivi elettronici di consumo come smartphone, tablet, e smartwatch, dove è necessario rilevare movimenti e orientamento dei dispositivi. Inoltre, trovano applicazione anche in sistemi di domotica e IoT (Internet of Things), grazie alla loro versatilità e basso consumo energetico.
Conclusione
In conclusione, i sensori ad effetto Hall rappresentano una componente fondamentale in molteplici applicazioni tecnologiche, offrendo soluzioni precise e affidabili per la misurazione di vari parametri fisici. Dalla rilevazione della posizione nei motori elettrici alla misurazione della corrente nei circuiti, fino all’uso in dispositivi di sicurezza e applicazioni a bassa potenza, questi sensori dimostrano una straordinaria versatilità. La loro capacità di operare in modo non invasivo e con un basso consumo energetico li rende indispensabili in numerosi settori, contribuendo significativamente all’avanzamento tecnologico e alla sicurezza. La continua innovazione in questo campo promette di ampliare ulteriormente le loro applicazioni, rafforzando il ruolo dei sensori ad effetto Hall nel futuro della tecnologia.
