HALLOTRON

Na ładunek elektryczny q poruszający się z prędkością v w polu magnetycznym o indukcji
działa siła Lorentza

Jest więc ona prostopadła do obu wektorów
i
(p. rys. 1).

Hallotron jest to cienka (grubość d około 0,1 mm) warstwa półprzewodnika naparowana na nieprzewodzące podłoże i zaopatrzona w cztery elektrody. Prąd sterujący hallotronu przepływa wzdłuż naparowanej warstwy o długości l, a więc przez przekrój dc gdzie c - szerokość naparowanej warstwy.

Nośnikami prądu w hallotronie mogą być dziury lub elektrony. Działa na nie tak samo skierowana siła Lorentza: prostopadła do kierunku przepływu prądu sterującego o natężeniu I_s i do indukcji magnetycznej
Zakłóca ona ruch nośników prądu wzdłuż linii sił pola elektrycznego przyłożonego do hallotronu ( wywołującego przepływ prądu sterującego). Nośniki odchylają się w kierunku siły Lorentza i gromadzą na powierzchni bocznego przekroju warstwy tak długo dopóki działanie ich pola elektrycznego nie skompensuje siły Lorentza. Obecność zgromadzonych ładunków można wykryć mierząc różnicę potencjałów U_h, (zwaną dalej napięciem Halla), między bocznymi powierzchniami naparowanej warstwy halotronu. Na jednej z tych powierzchni gromadzą się właśnie ładunki spychane tam siłą Lorentza.

Zgromadzone ładunki wytwarzają pole elektryczne (zakładamy, że jednorodne) o natężeniu U_h/c, które działa na ładunki nośników prądu sterującego q siłą F=q U_h/c. W warunkach równowagi F=F_L, a więc q U_h/c = q v B, gdy kierunek prądu sterującego jest prostopadły do wektora indukcji B. Stąd otrzymujemy

Prędkość nośników prądu jest tym większa im większe jest natężenie prądu sterującego I_s płynącego przez hallotron i im mniejsza jest koncentracja n nośników prądu w półprzewodniku. Z definicji natężenia prądu jako strumienia ładunków mamy

gdzie e - ładunek elementarny (ładunek nośnika prądu).

ostatecznie:

Napięcie Halla jest więc proporcjonalne do iloczynu prądu sterującego i indukcji magnetycznej, wymiarów elementu i rodzaju materiału. Może więc służyć do pomiaru każdej z tych wielkości lub innych wielkości do których są proporcjonalne. Może też służyć jako element mnożący.

ZASTOSOWANIE HALLOTRONÓW.

Szerokie zastosowanie hallotronów w technice rozpoczęło się w latach 60-tych po opracowaniu technologii wytwarzania materiałów półprzewodnikowych o dużej ruchliwości nośników ładunków takich jak antymonek indu, arsenek indu czy arsenofosforek indu.

Obecnie producenci proponują wiele typów zarówno samych hallotronów, jak i urządzeń oraz podzespołów hallotronowych.

Podstawowe zastosowanie hallotronów to:

• mierniki indukcji magnetycznej (teslomierze hallotronowe)

• specjalne silniki elektryczne z komutatorami hallotronowymi przeznaczone do urządzeń informatyki,

• przetworniki przesunięć liniowych i kątowych,

• przetworniki do pomiaru wielkości elektrycznych (natężenia prądu, mocy i energii)

• separatory napięć i prądów

• bezstykowe przełączniki sygnałów elektrycznych,

• szerokopasmowe głowice odczytujące zapis magnetyczny

Powstało także wiele unikatowych zastosowań w różnych dziedzinach nauki i techniki, szczególnie w pomiarach, diagnostyce oraz kontroli i sterowaniu.

Hallotron

Zjawisko Halla

Zostało ono odkryte w 1879 przez amerykana Edwina Herberta Halla. Zjawisko Halla polega na "zamianie" strumienia indukcji magnetycznej B w napięcie V_H przez płytkę wstępnie spolaryzowaną prądem I_C. Ilustruje to poniższy rysunek:

Przez cienką półprzewodnikową płytkę przepływa wzdłuż prąd. Strumień indukcji generuje siłą Loretza prostopadłą do kierunku przepływu ładunków tworzących prąd. To powoduje zmianę liczby ładunków na obu końcach płytki czyli różnicę potencjałów tworzących napięcie Halla V_H.
Płytka wykonana jest z materiału półprzewodnikowego - parametry ściśle określają własności czujnika.

Czujniki prądu z otwartą pętlą sprzężenia

Zjawisko to wykorzystuje się do bezstykowego pomiaru prądu. Jeden ze sposobów przedstawiony jest na powyższym rysunku. Prąd wywołuje strumień indukcji w rdzeniu, w którego szczelinie umieszczona jest płytka (spolaryzowana prądem ze źródła prądowego I_C). Napięcie Halla jest proporcjonalne do prądu pomiarowego. Czujniki takie firmy LEM pozwalają na pomiary prądów w zakresie od kilku A do kilkudziesięciu kA Prądy mierzone ograniczone są krzywą magnesowania. W zależności od modelu wynoszą od 1 do 3 wartości prądu nominalnego.

Wskutek magnesowania rdzenia w zależności od tego z jakiego materiału jest on wykonany mogą wystąpić błędy pomiarowe wynikające z remanentu magnetycznego. Błędy te osiągają maksimum gdy obwód magnetyczny został nasycony. Czujniki te mogą być wyposażone w wyjścia prądowe lub napięciowe.

Czujniki prądu ze sprzężeniem zwrotnym

Zastosowanie pętli sprzężenia zwrotnego wyraźnie zwiększa osiągi, parametry czujników. Na wskutek sprzężenia indukcja B utrzymuje się blisko 0 i nie następuje zjawisko remanentu.

Podczas, gdy czujniki z otwartą pętlą dawały nam napięcie V_H proporcjonalne do mierzonego prądu, czujniki z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego dają drugi prąd I_S proporcjonalny do V_H o takiej wartości, aby skompensować pole B - wytworzone przez prąd mierzony. Prąd I_S jest znacznie mniejszy od prądu pomiarowego I_P na wskutek różnic liczby zwojów.

N_P×I_P=N_S×I_S
Np.: dla I_P - prądu mierzonego równego 100A (DC - prąd stały) i współczynniku podziału 1:1000 (czyli N_P=1 i N_S=1000) mamy:

Rezystancję R_M dobieramy z zakresu podanego w katalogu.

Maksymalny prąd pomiarowy wynosi zazwyczaj 1,5 - 2 I_N (prądu znamionowego). Znaczne przekroczenie prądu znamionowego powoduje, że pole B nie jest kompensowane i rdzeń zostaje namagnesowany. Wskutek tego przy I_P=0 V_H nie jest wartością zerową. Taki sam efekt może wystąpić w przypadku braku jednego z napięć zasilających. Namagnesowanie usuwa się prądem zmiennym (I_P) przy odłączonych obwodach zasilania (pomiarowych).

Czujniki napięcia z pętlą sprzężenia zwrotnego

Opierają się one na tej samej zasadzie co czujniki prądu. Zasadniczą różnicą jest fakt, iż w obwodzie. To pozwala uzyskać niezbędne ampero-zwoje do wytworzenia indukcji pierwotnej bez potrzeby przepływu dużego prądu (mały pobór mocy z obwodu pomiarowego).

Aby zatem mierzyć napięcie wystarczy zamienić je na odpowiadający prąd, który przepłynie przez czujnik. Służy temu rezystancja włączona szeregowo - R1.

Rezystancja R1 może być zintegrowana z czujnikiem, ale może być również dołączana z zewnątrz.

Podsumowanie, porównanie

Czujniki prądu	z otwartą pętlą - O/L	z pętlą sprzężenia - C/L
zakres pomiarowy - IP	0 - 18 kA	0 - 15 kA
pasmo pomiarowe	0 - 25 kHz	0 - 200 kHz
dokładność (typowo) dla 25°C	±1%	±0,5%
liniowość	±0,5%	±0,1%
czas odpowiedzi	<3-7µs	<1µs
temperatura pracy	-25 ÷ +70 °C	-40 ÷ +85 °C
Czujniki napięcia		z pętlą sprzężenia - C/L
zakres pomiarowy UP		0-9,5kV
pasmo pomiarowe		kilka kHz
dokładność		±1%
liniowość		±1%
czas odpowiedzi		10..100µs
temperatura pracy		-25 ÷ +70 °C

 

8

---