سنسور اثر هال (Hall Effect Sensor)

سنسورهای اثر هال (Hall Effect Sensors) نوعی از سنسورهای مغناطیسی هستند که در صورت قرار گرفتن در مجاورت میدان مغناطیسی، فعال می‌شوند. هر میدان مغناطیسی دارای دو مشخصه مهم است که عبارتند از:

  • چگالی شار مغناطیسی (Flux Density)

  • قطب‌های میدان مغناطیسی (Magnetic Field Poles)

سیگنال خروجی سنسور اثر هال، تابعی از چگالی شار میدان مغناطیسی است. هنگامی که چگالی شار مغناطیسی اطراف سنسور، از حد تنظیم شده مشخصی بیشتر شود، سنسور میدان مغناطیسی را تشخیص داده و یک خروجی ولتاژ، که با نام ولتاژ هال (Hall Voltage – VH) شناخته می‌شود، را تولید می‌کند. سنسورهای اثر هال، عموما از یک قطعه نیمه‌هادی نوع P  بسیارنازک به شکل مستطیل، از موادی نظیر گالیوم آرسناید (GaAs)، ایندیوم-آنتیموناید (InSb) و یا ایندیوم آرسناید (InAs) ساخته می‌شوند. در زمان وصل بودن منبع تغذیه، یک جریان پیوسته از درون این المان عبور می‌کند. پس از قرارگیری المان در معرض میدان مغناطیسی، خطوط شار مغناطیسی ، باعث اعمال نیرو بر قطعه نیمه‌هادی شده و الکترون‌ها و حفره‌ها را به سمت دیگر نیمه‌هادی منحرف می‌کند. با حرکت و تجمع الکترون‌ها و حفره‌ها در یک سمت نیمه هادی، بین دو سمت نیمه‌هادی اختلاف پتانسیلی ایجاد شده که باعث تولید ولتاژ می‌گردد. لازم به ذکر است که برای تولید ولتاژ، خطوط شار مغناطیسی باید کاملا به صورت عمودی از درون نیمه‌هادی عبور کنند. در شکل زیر، شماتیک ساختار این نوع سنسور نمایش داده شده است:

 

ساختار شماتیک سنسور اثر هال
سنسور اثر هال

از آنجا که ولتاژ ایجاد شده توسط نیمه‌هادی، حتی در حضور میدان مغناطیسی بسیار قوی، بسیار پایین و در حد چند میکروولت است، لذا از آمپلی‌فایر جریان مستقیم، رگولاتور ولتاژ و مدارات سویچینگ برای افزایش ولتاژ خروجی و بهبود عملکرد سنسور استفاده می‌شود. در شکل زیر شماتیک جانمایی رگولاتور ولتاژ، آمپلی‌فایر و ترانزیستور سویچینگ درون سنسور اثر هال، نمایش داده شده است.

 

اجزائ داخلی سنسور اثر هال
جانمایی المانهای درونی سنسور اثر هال

 

خروجی سنسورهای اثر هال می‌تواند از نوع دیجیتال (Digital Output) و یا از نوع خطی (Linear Output) باشد. سیگنال خروجی خطی (آنالوگ) سنسور مستقیما از آمپلی‌فایر  خارج می‌شود و همانگونه که ذکر شد مقدار آن متناسب با شدت شار مغناطیسی عبوری از سنسور دارد. مقدار ولتاژ آنالوگ خروجی سنسور، با استفاده از فرمول محاسبه ولتاژ هال، محاسبه است:

 

فرمول محاسباتی ولتاژ هال
فرمول محاسبه ولتاژ هال

که در آن:

VH : ولتاژ هال بر حسب ولت

RH : ضریب اثر هال

I : جریان عبوری از سنسور بر حسب آمپر

t : ضخامت المان سنسور بر حسب میلیمتر

B : چگالی شار مغناطیسی بر حسب تسلا

در سنسورهای اثر هال با خروجی خطی آنالوگ، با کاهش شدت میدان مغناطیسی، ولتاژ خروجی کاهش و با افزایش شدت میدان مغناطیسی، ولتاژ خروجی نیز افزایش می‌یابد.

لازم به ذکر است، زمانی که شدت میدان مغناطیسی از حد مشخصی بیشتر می‌شود، ولتاژ خروجی (VH)، به دلیل محدود بودن ولتاژ منبع تغذیه، به حد اشباع (Saturation) رسیده و بدون تغییر باقی می‌ماند.

در شکل زیر وضعیت اشباع خروجی سنسور اثر هال نمایش داده شده است.

 

نمودار اشباع خروجی ولتاژ سنسور هال
وضعیت اشباع خروجی سنسور اثر هال

 

در سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال، ولتاژ خروجی از آمپلی‌فایر به یک مدار اشمیت تریگر (Schmitt Trigger) مجهز به دامنه هیسترزیس وارد می‌شود.

در این سنسورها، با رسیدن شدت میدان مغناطیسی به حد تنظیم شده مشخصی، خروجی سنسور از حالت خاموش (OFF) به حالت روشن (ON) تغییر وضعیت می‌دهد. مدار هیسترزیس داخلی، از بروز نوسان در تغییر وضعیت خروجی سنسور، و زمانی که سنسور به داخل یا خارج میدان حرکت می‌کند، جلوگیری می‌کند.

این سنسورها تنها دو ضعیت در خروجی خود دارند… خاموش (OFF) و یا روشن (ON)

سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال، در دو نوع دو قطبی (Bipolar) و تک قطبی (Unipolar) وجود دارند.

در نوع دو قطبی، برای خروجی سنسور توسط میدان مغناطیسی مثبت (South Pole) فعال و توسط با میدان مغناطیسی منفی (North Pole) غیر فعال می‌شوند.

در نوع تک قطبی، وجود میدان مغناطیسی مثبت برای فعال و غیر فعال کردن خروجی سنسور کافی خواهد بود. یعنی با نزدیک شدن قطب S  به سنسور، خروجی آن فعال و با دور شدن آن، خروجی سنسور غیرفعال خواهد شد.

از آنجا که ظرفیت خروجی بیشتر سنسورهای اثر هال در بازه 10 تا 20 میلی‌آمپر است، لذا نمی‌توان بارهای الکتریکی بیشتر را به صورت مستقی به خروجی آنها متصل نمود.

به همین دلیل در خروجی این سنسورها، از ترانزیستورهای سویچینگ استفاده می‌شود که می‌تواند به صورت امیتر باز (Open Emitter)، کلکتور باز (Open Collector) و یا ترکیب هر دو به صورت Push-Pull باشد.

این ترانزیستورها که از نوع NPN هستند در ناحیه ولتاژ اشباع، به صورت سویچ سینک (NPN Sink Switch) عمل کرده و باعث می‌شود با افزایش بیش از حد شدت میدان مغناطیسی (بیش از نقطه تنظیم شده برای روشن شدن خروجی)، بین ترمینال خروجی و زمین، اتصال کوتاه برقرار نماید.

سنسورهای اثر هال را می‌توان در بسیاری از کاربردها، و تنها با نصب یک عدد آهنربای دائمی بر رو قطعه متحرک، استفاده نمود. با توجه به نوع حرکت قطعه متحرک و محل نصب سنسور، حرکت وضعی میتواند در حالت‌های  Head on (حرکت از روبرو)، Sideways (حرکت جانبی)، Push-Pull (کشش – فشار)، Push-Push (فشار – فشار) و بسیاری از حالت‌های دیگر، صورت پذیرد. در تمامی وضعیت‌های فوق باید دقت شود که:

  • جهت اعمال میدان مغناطیسی کاملا عمود بر سنسور باشد

  • از قطب صحیح آهنربا برای فعال کردن سنسور استفاده شود.

  • شدت میدان مغناطیسی برای فعال کردن سنسور کافی باشد. (مخصوصا در سنسورهای اثر هال با خروجی آنالوگ)

همانگونه که ذکر شد، برای تشخیص میدان مغناطیسی مسیرهای حرکتی متفاوتی وجود دارد که به بررسی دو وضعیت متداول و پرکاربرد نصب سنسور و آهنربا، پرداخته می‌شود.

 

تشخیص میدان با حرکت از روبرو (Head-on Detection)

در این روش، آهنربا (میدان مغناطیسی) از روبرو به سطح تشخیص سنسور نزدیک شده و جهت میدان مغناطیسی کاملا بر سطح تشخیص سنسور عمود است.

در سنسورهایی با خروجی آنالوگ، نزدیک شدن آهنربا به سنسور باعث تولید ولتاژ اثر هال (VH) در خروجی سنسور خواهد شد که مقدار این ولتاژ با فاصله آهنربا از سنسور تغییر خواهد کرد.

هرچه آهنربا به سنسور نزدیک‌تر شود ولتاژ در خروجی افزایش و با افزایش فاصله، ولتاژ در خروجی کاهش خواهد یافت. سنسورهای خروجی آنالوگ، رفتار متفاوتی در مقابل میدان مغناطیسی مثبت (S Pole) و منفی (N Pole) دارند.

در سنسورهای خروجی دیجیتال، با نزدیک شدن آهنربا به سنسور و با رسیدن به فاصله از پیش تنظیم شده، خروجی سنسور فعال شده و از حالت خاموش به حالت روشن تغییر وضعیت خواهد داد. در شکل زیر وضعیت Head-on Detection نمایش داده شده است.

 

Head-on Detection
Head-on Detection

 

 

تشخیص میدان با حرکت جانبی (Sideways Detection)

در این روش آهنربا نسبت به قسمت تشخیص سنسور حرکت جانبی دارد.

با توجه به اینکه این روش بیشتر برای شمارش تعداد دور و یا سرعت دورانی قطعه متحرک، بکار برده می‌شود، فاصله سنسور و آهنربا بدون تغییر است.

در سنسورهای خروجی آنالوگ، بسته به این که موقعیت میدان مغناطیسی در زمان عبور از مقابل خط مرکزی نقطه صفر سنسور در چه وضعیتی است، ولتاژ خروجی سنسور به صورت مثبت و یا منفی تولید خواهد شد که بدین ترتیب جهت حرکت (افقی یا عمودی) نیز قابل تشخیص خواهد بود. در شکل زیر وضعیت Sideways Detection نمایش داده شده است.

 

Sideways Detection
Sideways Detection

در خاتمه لازم به ذکر است که در موارد زیر، نیز می‌توان از سنسورهای اثر هال استفاده نمود:

  • به عنوان جایگزین سنسورهای نوری، به ویژه در محیط‌هایی نظیر خودروسازی‌ها که دارای آلاینده‌هایی نظیر آب، ارتعاشات، روغن و … می‌باشند.

  • به عنوان سیستم اندازه‌گیری جریان عبوری از هادی‌ها (هنگام عبور جریان از درون هادی‌ها، در اطراف آنها میدان مغناطیسی شکل می‌گیرد که در این مواقع سنسورهای اثر هال را می‌توان برای اندازه‌گیری جریان از چند میلی‌آمپر تا هزاران آمپر، از سنسورهای اثر هال استفاده نمود.)

با قرار دادن یک قطعه کوچک آهنربا دائمی یکطرفه در پشت سطح فعال سنسور، میتوان از سنسورهای اثر ها برای تشخیص قطعات آهنی و فولادی استفاده نمود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *