سنسور اثر هال چیست؟ آموزش کامل سنسور Hall

سنسور های مغناطیسی، اطلاعات کدگذاری شده مغناطیسی را برای پردازش توسط مدار های الکترونیکی به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. در آموزش سنسور ها و مبدل ها به بررسی سنسور های مجاورتی القایی و LDVT و همچنین سلونوئید و محرک های خروجی رله می پردازیم.

سنسور های مغناطیسی دستگاه های حالت جامد هستند که هرروز محبوبیت بیشتری پیدا می کنند زیرا می توانند در انواع مختلفی از کاربرد ها مانند دریافت موقعیت، سرعت یا حرکت جهت دار مورد استفاده قرار گیرند.
همچنین این سنسور ها، به علت هزینه نگهداری پایین و طراحی مطمئن انتخاب مناسبی برای طراحان وسایل الکترونیکی هستند. این سنسور ها نسبت به فضای اطراف خود، عایق هستند. بنابراین نسبت به لرزش و گرد و غبار و آب حساسیتی ندارند و مقاوم هستند.

یکی از کاربرد های اصلی سنسور های مغناطیسی در سیستم های خودرویی برای دریافت موقعیت، فاصله و سرعت است. برای مثال، شمع خودرو برای جرقه‌زنی نیاز به اطلاعات مکان زاویه‌ای میل‌لنگ موتور دارد. یک سنسور اثر هال به محاسبه این اطلاعات می‌پردازد. محل صندلی و کیسه هوای خودرو با سنسور اثر هال، کنترل می‌شود. همچنین تشخیص سرعت حرکت ماشین برای فعال شدن «سیستم ضد قفل» (ABS) بر عهده این سنسور است.

سنسور های مغناطیسی برای پاسخگویی به طیف وسیعی از میدان های مغناطیسی مثبت و منفی در انواع کاربرد های مختلف طراحی شده اند. یک نوع سنسور آهنربا که در آن سیگنال خروجی تابعی از چگالی میدان مغناطیسی در اطراف آن است، سنسور اثر هال نامیده می شود.

سنسور های اثر هال دستگاه هایی هستند که توسط یک میدان مغناطیسی خارجی فعال می شوند. ما می دانیم که یک میدان مغناطیسی دارای دو ویژگی مهم چگالی شار (B) و قطبیت (قطب شمال و جنوب) است. سیگنال خروجی از سنسور اثر هال تابعی از چگالی میدان مغناطیسی در اطراف دستگاه است. هنگامی که چگالی شار مغناطیسی اطراف سنسور از یک آستانه مشخص بیشتر شود، سنسور آن را تشخیص داده و ولتاژ خروجی به نام ولتاژ هال (VH) تولید می کند. نمودار زیر را در نظر بگیرید.

نحوه کار سنسور اثر هال

سنسور های اثر هال از یک قطعه نازک از مواد نیمه هادی مستطیلی نوع p مانند آرسنید گالیوم (GaAs)، آنتی مونید ایندیم (InSb) یا آرسنید ایندیم (InAs) تشکیل شده اند که جریان پیوسته ای را از خود عبور می دهند. وقتی سنسور درون یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، خطوط شار مغناطیسی نیرویی به ماده نیمه هادی وارد می کنند که باعث جهت‌گیری حامل‌ های بار موجود در نیمه‌هادی یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها به دو طرف تیغه می‌شود. حرکت حامل‌های بار، نتیجه نیروی مغناطیسی وارد شده به آن ها است.

به دلیل تجمع حامل‌های بار در دو طرف تیغه، اختلاف پتانسیلی بین دو طرف نیمه هادی ایجاد می‌شود.
سپس حرکت الکترون ها از طریق ماده نیمه هادی تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرد که در زاویه راست آن قرار دارد و این اثر در یک ماده مسطح مستطیل شکل بیشتر است.

پدیده تولید ولتاژ قابل اندازه گیری با استفاده از یک میدان مغناطیسی، اثر هال نامیده می شود.ادوین هال در دهه 1870 میلادی اثر هال را با اصول و قوانین فیزیکی کشف کرد. برای ایجاد ولتاژ، خطوط شار مغناطیسی باید عمود (90 درجه) بر جهت جریان باشد تا قطبیت صحیح ایجاد شود. به طور کلی یعنی یک قطب جنوب باشد.

اثر هال اطلاعاتی در مورد نوع قطب مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی فراهم می کند. برای مثال، یک قطب جنوب باعث می شود دستگاه ولتاژ خروجی تولید کند در حالی که قطب شمال هیچ تأثیری نخواهد داشت. به طور کلی، سنسور ها و کلید های اثر هال در شرایطی که میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، در حالت “OFF” (حالت مدار باز) طراحی شده اند. آن ها فقط در صورت قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی با قدرت کافی و قطب صحیح، “روشن” می شوند (وضعیت مدار بسته).

سنسور مغناطیسی اثر هال

ولتاژ خروجی که ولتاژ هال (VH)گفته می شود، متناسب با شدت میدان مغناطیسی عبوری از مواد نیمه هادی است (خروجی ∝ H). این ولتاژ خروجی می تواند بسیار کوچک باشد، حتی در صورت قرار گرفتن در معرض میدان های مغناطیسی قوی، تنها چند میکروولت است. بنابراین اکثر دستگاه های دارای سنسور اثر هال با تقویت کننده های DC داخلی، مدار های کلید زنی منطقی و تنظیم کننده های ولتاژ ساخته می شوند تا حساسیت سنسور، پسماند و ولتاژ خروجی را بهبود بخشند. این امر همچنین به سنسور اثر هال اجازه می دهد تا در دامنه وسیع تری از منابع تغذیه و شرایط میدان مغناطیسی کار کند.

سنسور اثر هال

سنسور های اثر هال با خروجی های خطی یا دیجیتال در دسترس هستند. سیگنال خروجی برای سنسورهای خطی (آنالوگ) مستقیماً از خروجی تقویت کننده گرفته می شود که ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با میدان مغناطیسی عبوری از سنسور هال است. این ولتاژ خروجی هال به صورت زیر داده می شود:

که:

• VH ولتاژ هال بر حسب ولت است.
• RH ضریب اثر هال است.
• I جریان عبوری از سنسور بر حسب آمپر است
• t ضخامت صفحه سنسور بر حسب میلی متر است.
• B چگالی شار مغناطیسی برحسب تسلا است.

سنسور های خطی یا آنالوگ ولتاژ خروجی پیوسته ای می دهند که با یک میدان مغناطیسی قوی افزایش می یابد و با یک میدان مغناطیسی ضعیف کاهش می یابد. در سنسور های اثر هال با خروجی خطی باافزایش شدت میدان مغناطیسی، خروجی تقویت‌کننده تا یک نقطه مشخص زیاد می‌شود و به نقطه اشباع خود می‌رسد. از این نقطه به بعد، هر افزایشی در میدان مغناطیسی هیچ اثری روی ولتاژ خروجی ندارد. اگر میدان مغناطیسی را افزایش دهیم، سنسور بیشتر به حالت اشباع می‌رود.

از طرف دیگر سنسور های با خروجی دیجیتال دارای یک Schmitt-trigger
(اشمیت تریگر یک مدار مقایسه‌کننده است که از فیدبک مثبت استفاده می‌کند) با هیسترزیس داخلی هستند که به op_amp متصل است. هنگامی که شار مغناطیسی عبوری از سنسور هال بیش از یک مقدار از پیش تعیین شده باشد، خروجی دستگاه سریعاً از حالت “OFF” به حالت “ON” تغییر وضعیت می دهد. این هیسترزیس داخلی هر نوسان سیگنال خروجی را هنگام حرکت و خارج شدن سنسور از میدان مغناطیسی از بین می برد. سنسور های با خروجی دیجیتال فقط دو وضعیت “ON” و “OFF” را پوشش می دهند.

دو نوع سنسور اثر هال با خروجی دیجیتال وجود دارد: دو قطبی و تک قطبی.
سنسور های دوقطبی برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از OFF به ON به میدان مغناطیسی مثبت نیازدارند و برای تشخیص عدم وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از حالت ON به OFF به میدان مغناطیسی منفی احتیاج دارد. در حالیکه سنسور های تک قطبی برای تشخیص وجود و عدم وجود میدان مغناطیسی از میدان مثبت استفاده می‌کند.

اکثر سنسور های اثر هال نمی توانند بار های الکتریکی زیادی را مستقیماً تغییر دهند، زیرا توانایی آن ها بسیار محدود است. جریان خروجی این مدارها بسیار کوچک و در حدود ۱۰ تا ۲۰ میلی آمپر است. برای داشتن جریان‌های الکتریکی بزرگ در خروجی از یک تقویت‌کننده (یک ترانزیستور NPN با کلکتور باز) استفاده می‌شود.

این ترانزیستور در منطقه اشباع شده خود مثل یک کلید NPN عمل می کند. که هرگاه، چگالی شار مغناطیسی اعمالی به سنسور، از مقدار آستانه بالاتر رود، کلید خروجی را زمین می‌کند.

این ترانزیستور را می‌توان به صورت کلکتور باز یا به صورت امیتر باز استفاده کرد. به این ترتیب، یک مدار تقویت‌کننده push-pull داریم. حال می‌توان این سنسور را به بار هایی با جریان بالا مانند رله، موتور، LED و لامپ وصل کرد.

کاربرد های اثر هال

سنسور های اثر هال توسط یک میدان مغناطیسی فعال می شوند ودر بسیاری از کاربرد ها، سنسور به همراه یک آهنربای دائم روی یک استوانه متحرک قرار می‌گیرد. حرکت سنسور و آهنربا نسبت به هم می‌تواند حالت‌ های متفاوتی مانند حالت های جانبی، رو به جلو، Push-pull یا Push-pushو…. داشته باشد.

در همه این حالت‌ ها، برای آنکه حداکثر حساسیت سنسور تضمین شود، خطوط شار مغناطیسی باید بر سنسور عمود باشند و قطبیت آن نیز صحیح باشد، یعنی از قطب جنوب آهنربا برای فعال کردن سنسور استفاده کنیم.

همچنین برای تضمین رفتار خطی سنسور، از آهنربای قوی استفاده می‌شود. به این صورت با حرکت آهنربا، تغییر شدیدی در شدت میدان مغناطیسی عبوری از سنسور خواهیم داشت. برای تشخیص میدان مغناطیسی، سنسور و آهنربا می‌توانند وضعیت‌ های مختلفی نسبت به هم داشته باشند. دو نوع معمول در سنسور های اثر هال حرکت رو به جلو و حرکت جانبی است.

حرکت رو به جلو

در این حالت، سنسور اثر هال و میدان مغناطیسی به صورت عمود بر هم قرار می‌گیرند. برای اینکه سنسور فعال شود، آهنربا به طور مستقیم به سمت سنسور حرکت می کند.

در حالت عادی سیگنال خروجی VH را تولید می کند که این ولتاژ در سنسور های خطی، نشان‌دهنده آن است که شدت میدان مغناطیسی و چگالی شار مغناطیسی تابعی از فاصله آهنربا از سنسور است. هرچه آهنربا به سنسور نزدیک‌تر باشد، شدت میدان مغناطیسی بیشتر است و ولتاژ خروجی بیشتر خواهد بود و بالعکس.

حرکت جانبی

دومین حالت ” حرکت جانبی” است. در این حالت حرکت آهنربا نسبت به سنسور،حرکت جانبی است.

حرکت جانبی برای تشخیص وجود یک میدان مغناطیسی هنگام حرکت آهنربا در سطح سنسور هال با یک فاصله ثابت است. مثلاً در حالتی که آهنربای چرخشی داریم از این روش برای تشخیص استفاده می‌شود، مانند تشخیص‌ سرعت چرخش موتور.

بسته به موقعیت میدان مغناطیسی هنگام عبور آهنربا از خط مرکز میدان صفر سنسور، می توان ولتاژ خروجی خطی را نشان داد که هم خروجی مثبت و هم منفی دارد. این امکان را برای تشخیص جهت حرکت دارد که می تواند عمودی و همچنین افقی باشد.

کاربرد های مختلفی برای سنسور های اثر هال به خصوص به عنوان سنسور های مجاورتی وجود دارد. درصورتی که شرایط محیطی از آب، لرزش، کثیفی یا روغن تشکیل شده باشد، می توان از این سنسور ها به جای سنسور های نوری استفاده کرد. همچنین از سنسور های اثر هال برای اندازه‌گیری جریان نیز می‌توان استفاده کرد.

ما از آموزش های قبلی می دانیم که وقتی جریانی از هادی عبور می کند، یک میدان الکترومغناطیسی دایره ای در اطراف آن تولید می شود. با قرار دادن سنسور هال در کنار هادی می توان جریان های الکتریکی از چند میلی آمپر تا چندین هزار آمپر را بدون نیاز به ترانسفورماتور ها و سیم پیچ های بزرگ یا گران قیمت اندازه گیری کرد.

علاوه بر تشخیص وجود یا عدم وجود آهن ربا و میدان های مغناطیسی، از سنسور های اثر هال می توان برای تشخیص مواد فرو مغناطیسی مانند آهن و فولاد استفاده کرد. برای این کار یک آهنربای کوچک دائمی در نزدیکی منطقه فعال سنسور قرار می گیرد تا سنسور به اصطلاح “بایاس” شود. این سنسور اکنون در یک میدان مغناطیسی دائم و ساکن قرار دارد و هرگونه تغییر یا ایجاد اختلال در این میدان مغناطیسی با ورود ماده ای آهنی، با حساسیت های کمتر از میلی ولت تشخیص داده می شود.

روش های مختلفی برای ارتباط سنسور های اثر هال با مدار های الکتریکی و الکترونیکی بسته به نوع دستگاه اعم از دیجیتال یا خطی وجود دارد. یک مثال ساختنی بسیار ساده و آسان استفاده از دیود ساطع کننده نور است که در زیر نشان داده شده است.

آشکارساز موقعیت

وقتی میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، این آشکارساز موقعیتی “خاموش” خواهد بود (0 گاوس). وقتی قطب جنوب آهنربا های دائمی (گاوس مثبت) عمود به سمت ناحیه فعال سنسور اثر هال حرکت می کنند، دستگاه “روشن” می شود و LED را روشن می کند. پس از تغییر وضعیت به حالت “ON” سنسور اثر هال “روشن” می ماند.

برای اینکه‌ دستگاه روشن و LED در حالت “OFF” باشد، میدان مغناطیسی برای سنسور های تک قطبی باید تا زیر حد آستانه کاهش پیدا کند و برای سنسور های دو قطبی در معرض قطب شمال مغناطیسی (گاوس منفی) قرار گیرد.