سنسور اثر هال

سنسور اثر هال – ما نمی توانیم این بحث در مورد مغناطیس را بدون اشاره به سنسورهای مغناطیسی و به ویژه سنسور اثر هال بسیار رایج پایان دهیم.

حسگرهای مغناطیسی اطلاعات مغناطیسی یا کدگذاری شده مغناطیسی را برای پردازش توسط مدارهای الکترونیکی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و در آموزش حسگرها و مبدل‌ها به سنسورهای مجاورت القایی و LDVT و همچنین محرک‌های خروجی برقی و رله نگاه کردیم.

حسگرهای مغناطیسی دستگاه‌های حالت جامد هستند که روز به روز محبوب‌تر می‌شوند، زیرا می‌توانند در انواع مختلفی از کاربردها مانند سنجش موقعیت، سرعت یا حرکت جهت استفاده شوند.

آنها همچنین به دلیل عملکرد بدون سایش بدون تماس، تعمیر و نگهداری کم، طراحی قوی و به عنوان دستگاه‌های جلوه سالن مهر و موم شده در برابر لرزش، گرد و غبار و آب، یک انتخاب محبوب برای طراحان لوازم الکترونیکی هستند.

کاربرد

یکی از کاربردهای اصلی سنسورهای مغناطیسی در سیستم های خودرو برای سنجش موقعیت، مسافت و سرعت است.

به عنوان مثال:

• موقعیت زاویه ای میل لنگ برای زاویه شلیک شمع ها
• موقعیت صندلی های خودرو و کمربندهای ایمنی برای کنترل کیسه هوا
• یا تشخیص سرعت چرخ برای سیستم ترمز ضد قفل، (ABS).

سنسورهای مغناطیسی برای پاسخگویی به طیف وسیعی از میدان‌های مغناطیسی مثبت و منفی در کاربردهای مختلف طراحی شده‌اند و نوعی از حسگر مغناطیسی که سیگنال خروجی آن تابعی از چگالی میدان مغناطیسی اطراف آن است، سنسور اثر هال نامیده می‌شود.

سنسورهای اثر هال دستگاه هایی هستند که توسط یک میدان مغناطیسی خارجی فعال می شوند. می دانیم که میدان مغناطیسی دارای دو ویژگی مهم چگالی شار (B) و قطبیت (قطب شمال و جنوب) است.

سیگنال خروجی از حسگر اثر هال تابع چگالی میدان مغناطیسی اطراف دستگاه است.

نمودار زیر را در نظر بگیرید.

اصول سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال اساساً از یک قطعه نازک از مواد نیمه رسانای مستطیلی نوع p مانند آرسنید گالیم (GaAs)، آنتی‌مونید ایندیم (InSb) یا آرسنید ایندیم (InAs) تشکیل شده‌اند که یک جریان پیوسته را از خود عبور می‌دهند.

هنگامی که دستگاه در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، خطوط شار مغناطیسی نیرویی بر مواد نیمه هادی وارد می کنند که حامل های بار، الکترون ها و حفره ها را به دو طرف دال نیمه هادی منحرف می کند. این حرکت حامل های بار نتیجه نیروی مغناطیسی است که آنها در عبور از مواد نیمه هادی تجربه می کنند.

همانطور که این الکترون‌ها و حفره‌ها به طرفین حرکت می‌کنند، اختلاف پتانسیل بین دو طرف ماده نیمه‌رسانا توسط تجمع این حامل‌های بار ایجاد می‌شود. سپس حرکت الکترون ها در ماده نیمه هادی تحت تأثیر وجود میدان مغناطیسی خارجی است که با آن زاویه قائمه دارد و این تأثیر در یک ماده مستطیل شکل مسطح بیشتر است.

اثر هال چیست؟

اثر تولید یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری با استفاده از میدان مغناطیسی، اثر هال نامیده می‌شود که ادوین هال آن را در دهه 1870 کشف کرد و اصل فیزیکی اساسی که در اثر هال نیروی لورنتس بود. برای ایجاد اختلاف پتانسیل در سرتاسر دستگاه، خطوط شار مغناطیسی باید عمود بر جریان جاری (90 درجه) باشند و قطبیت صحیح داشته باشند، معمولاً یک قطب جنوب.

اثر هال اطلاعاتی در مورد نوع قطب مغناطیسی و بزرگی میدان مغناطیسی ارائه می دهد. به عنوان مثال، یک قطب جنوب باعث می شود دستگاه یک خروجی ولتاژ تولید کند در حالی که قطب شمال هیچ تاثیری نخواهد داشت. به طور کلی، سنسورها و سوئیچ‌های اثر هال طوری طراحی می‌شوند که در حالت «خاموش» (شرایط مدار باز) زمانی که میدان مغناطیسی وجود ندارد، قرار بگیرند.

آنها فقط زمانی روشن میشن که در معرض میدان مغناطیسی با قدرت و قطبیت کافی قرار بگیرند (شرایط مدار بسته).

سنسور مغناطیسی اثر هال

ولتاژ خروجی که ولتاژ هال (VH) عنصر اصلی هال نامیده می شود، نسبت مستقیمی با قدرت میدان مغناطیسی عبوری از مواد نیمه هادی دارد (خروجی ∝ H).

این ولتاژ خروجی می تواند بسیار کوچک باشد، فقط چند میکرو ولت حتی زمانی که در معرض میدان های مغناطیسی

قوی قرار می گیرد، بنابراین اکثر دستگاه های اثر هال تجاری موجود با تقویت کننده های DC داخلی،

مدارهای سوئیچ منطقی و تنظیم کننده های ولتاژ برای بهبود حساسیت سنسورها، هیسترزیس و ولتاژ خروجی ساخته می شوند.

این همچنین به سنسور اثر هال اجازه می دهد تا در محدوده وسیع تری از منابع تغذیه و شرایط میدان مغناطیسی کار کند.

سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال با خروجی خطی یا دیجیتال در دسترس هستند.

سیگنال خروجی برای سنسورهای خطی (آنالوگ) مستقیماً از خروجی تقویت‌کننده عملیاتی گرفته می‌شود

و ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با میدان مغناطیسی عبوری از سنسور هال است.

این ولتاژ خروجی هال به صورت زیر بیان می شود:

در اینجا:

VH ولتاژ هال بر حسب ولت است

RH ضریب اثر هال است

I جریان عبوری از سنسور بر حسب آمپر است

t ضخامت سنسور بر حسب میلی متر است

B چگالی شار مغناطیسی در تسلاس است

سنسورهای خطی یا آنالوگ یک خروجی ولتاژ متوالی میدهند که با یک میدان مغناطیسی قوی افزایش می‌یابد و با یک میدان مغناطیسی ضعیف کاهش می‌یابد.

در سنسورهای اثر هال خروجی خطی، با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، سیگنال خروجی تقویت‌کننده نیز افزایش می‌یابد تا زمانی که با محدودیت‌های اعمال شده توسط منبع تغذیه، شروع به اشباع شدن کند. هر گونه افزایش اضافی در میدان مغناطیسی هیچ تاثیری بر خروجی نخواهد داشت اما آن را بیشتر به سمت اشباع سوق می دهد.

سنسورهای خروجی دیجیتال از سوی دیگر دارای یک ماشه اشمیت با هیسترزیس داخلی متصل به آپ امپ هستند.

وقتیکه شار مغناطیسی عبوری از سنسور هال از مقدار از پیش تعیین شده تجاوز میکند،

خروجی دستگاه به سرعت بین وضعیت «خاموش» به حالت «روشن» بدون هیچ نوع جهش تماسی تغییر می کند.

این هیسترزیس داخلی هرگونه نوسان سیگنال خروجی را با حرکت سنسور به داخل و خارج از میدان مغناطیسی حذف می کند. سپس سنسورهای خروجی دیجیتال فقط دو حالت “روشن” و “خاموش” دارند.

دو نوع اصلی سنسور اثر هال دیجیتال وجود دارد، دو قطبی و تک قطبی.

حسگرهای دوقطبی به یک میدان مغناطیسی مثبت (قطب جنوب) برای کار کردن و یک میدان منفی (قطب شمال) برای آزاد کردن آنها نیاز دارند، در حالی که حسگرهای تک قطبی تنها به یک قطب جنوب مغناطیسی نیاز دارند تا هم عمل کنند و هم هنگام حرکت به داخل و خارج از رشته مغناطیسی، آنها را آزاد کنند.

اکثر دستگاه‌های اثر هال نمی‌توانند مستقیماً بارهای الکتریکی بزرگ را تغییر دهند زیرا قابلیت‌های درایو خروجی آن‌ها در حدود 10 تا 20 میلی آمپر بسیار کوچک است. برای بارهای جریان زیاد، یک ترانزیستور NPN با کلکتور باز (غرق جریان) به خروجی اضافه می شود.

این ترانزیستور در ناحیه اشباع شده خود به عنوان یک سوئیچ سینک NPN عمل می کند که هر زمان که چگالی شار اعمال شده بیشتر از نقطه از پیش تنظیم شده “ON” باشد، ترمینال خروجی را به زمین متصل می کند.

ترانزیستور سوئیچینگ خروجی می تواند یک ترانزیستور امیتر باز، پیکربندی ترانزیستور کلکتور باز یا هر دو یک پیکربندی نوع خروجی فشار-کشش باشد که می تواند جریان کافی را برای هدایت مستقیم بسیاری از بارها، از جمله رله ها، موتورها، LED ها و لامپ ها ایجاد کند.

اپلیکیشن اثر هال

سنسورهای اثر هال توسط یک میدان مغناطیسی فعال می شوند و در بسیاری از کاربردها می توان دستگاه را توسط یک آهنربای دائمی متصل به یک شفت یا دستگاه متحرک راه اندازی کرد. انواع مختلفی از حرکات آهنربایی وجود دارد، مانند حرکات حسی “head-on”، “sidewaye”، “push-pull” یا “push-push” و غیره.

که از هر نوع پیکربندی استفاده می شود، برای اطمینان از حداکثر حساسیت، خطوط مغناطیسی شار باید همیشه عمود بر ناحیه حسگر دستگاه باشند و باید از قطبیت صحیح برخوردار باشند.

همچنین برای اطمینان از خطی بودن، آهنرباهایی با قدرت میدان بالا مورد نیاز است که تغییر زیادی در قدرت میدان برای حرکت مورد نیاز ایجاد می کند.

چندین مسیر حرکتی ممکن برای تشخیص یک میدان مغناطیسی وجود دارد، و در زیر دو مورد از پیکربندی‌های حسگر رایج‌تر با استفاده از یک آهنربا وجود دارد: تشخیص head-on و تشخیص sidewaye.

تشخیص head-on

همانطور که از نام آن پیداست، “تشخیص head-on” مستلزم آن است که میدان مغناطیسی عمود بر دستگاه حسگر اثر سالن باشد و برای تشخیص، این حسگر مستقیماً به سمت چهره فعال نزدیک شود. نوعی رویکرد “سر به سر”.

این رویکرد مستقیم یک سیگنال خروجی تولید می کند،

VH که در دستگاه های خطی نشان دهنده قدرت میدان مغناطیسی، چگالی شار مغناطیسی، به عنوان تابعی از فاصله دور از سنسور اثر هال است.

هر چه میدان مغناطیسی نزدیک‌تر و در نتیجه قوی‌تر باشد، ولتاژ خروجی بیشتر است و بالعکس.

دستگاه های خطی همچنین می توانند بین میدان مغناطیسی مثبت و منفی تفاوت قائل شوند.

می‌توان دستگاه‌های غیرخطی را برای نشان دادن تشخیص موقعیت در فاصله‌ای از فاصله

هوای از پیش تعیین‌شده دور از آهن‌ربا، راه‌اندازی «روشن» خروجی ساخت.

تشخیص جانبی یا sidewaye

پیکربندی حسگر دوم “تشخیص جانبی” است. این امر مستلزم حرکت آهنربا در سطح عنصر اثر هال در یک حرکت جانبی است.

تشخیص جانبی یا slide-by برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی هنگام حرکت در سطح عنصر هال در یک فاصله ثابت هوا مفید است، به عنوان مثال، شمارش آهنرباهای چرخشی یا سرعت چرخش موتورها.

بر حسب موقعیت میدان مغناطیسی هنگام عبور از خط مرکزی میدان صفر سنسور، یک ولتاژ خروجی خطی که هم خروجی مثبت و هم منفی را نشان می‌دهد، تولید می‌شود. این امکان تشخیص حرکت جهت دار را می دهد که می تواند عمودی و افقی باشد.

کاربردهای مختلفی برای سنسورهای اثر هال به خصوص به عنوان حسگر مجاورتی وجود دارد.

می توان از آنها به جای حسگرهای نوری و نور استفاده کرد، در شرایطی که شرایط محیطی شامل

• آب
• لرزش
• خاک یا روغن

مانند کاربردهای خودرویی باشد.

از دستگاه های اثر هال نیز می توان برای سنجش جریان استفاده کرد.

از آموزش های قبلی می دانیم :

که وقتی جریانی از یک هادی عبور می کند، میدان الکترومغناطیسی دایره ای در اطراف آن ایجاد می شود.

با قرار دادن سنسور هال در کنار هادی می توان جریان های الکتریکی از چند میلی آمپر به هزاران آمپر را از میدان مغناطیسی

تولید شده بدون نیاز به ترانسفورماتورها و سیم پیچ های بزرگ یا گران قیمت اندازه گیری کرد.

علاوه بر تشخیص وجود یا عدم وجود آهن‌ربا و میدان‌های مغناطیسی، از حسگرهای اثر هال نیز می‌توان

برای تشخیص مواد‌فرومغناطیسی مانند آهن و فولاد با قرار‌دادن یک آهنربای کوچک دائمی “بایاس” در پشت ناحیه فعال دستگاه استفاده نمود.

سنسور اکنون در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار دارد و هرگونه تغییر یا اختلال در این میدان مغناطیسی با وارد کردن یک ماده آهنی با حساسیت کمتر از mV/G ممکن قابل تشخیصه.

بر حسب نوع دستگاه، اعم از دیجیتال یا خطی، روش‌های مختلفی برای اتصال سنسورهای اثر هال به مدارهای الکتریکی و الکترونیکی وجود دارد.

یک مثال بسیار ساده و آسان برای ساخت، استفاده از دیود ساطع نور است که در زیر میبینید.

آشکارساز موقعیت

هنگامی که میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، این آشکارساز موقعیتی رو به روی “خاموش” خواهد بود (0 گاوس).

هنگامی که آهنرباهای دائمی قطب جنوب (گاوس مثبت) عمود بر ناحیه فعال حسگر اثر هال حرکت می کند،

دستگاه روشن می شود و LED را روشن می کند. پس از روشن شدن «روشن»، حسگر اثر هال «روشن» می‌ماند.

برای روشن کردن دستگاه ، میدان مغناطیسی باید به زیر نقطه رهاسازی برای حسگرهای تک قطبی کاهش یابد یا در معرض یک قطب شمال مغناطیسی (گاوس منفی) برای سنسورهای دوقطبی قرار گیرد. اگر خروجی سنسور اثر هال برای تغییر بارهای جریان بزرگتر مورد نیاز باشد، LED را می توان با یک ترانزیستور قدرت بزرگتر جایگزین کرد.

 

 

منبع : کلیک