سنسور های اثر هال یکی از سنسور های پر کاربرد در بسیاری از لوازم و قطعات امروزی مانند ماشین لباسشویی، اتومبیل و … می باشد که مکانیزم کارکرد آن بر پایه یکی از قوانین فیزیک استوار است که بر اثر قرار گرفتن یک جسم در یک میدان مغناطیسی بوجود می آید.
سنسور های اثر هال (Hall Effect Sensors)
در صورتی که جسمی هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی می باشد در یک میدان مغناطیسی به شدت B، که عمود بر جهت جریان عبوری می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V ناشی از اثر هال در عرض هادی تولید می شود که به ولتاژ هال معروف می باشد. علت پدید آمدن این ولتاژ این است که در اثر میدان مغناطیسی، انحرافی در حامل های جریان ایجاد می شود و حامل های جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند و در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد، این عدم تعادل بار، ایجاد ولتاژ هال می نماید. تا زمانی که میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و جریان نیز بر قرار باشد ولتاژ هال پایدار می باشد.
مکانیزم بوجود آمدن ولتاژ هال
برای یک قطعه هادی یا نیمه هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژ هال V توسط رابطه زیر بیان می.شود.
رابطه ولتاژ هال
در رابطه بالا KH ضریب هال برای جسم مورد نظر است که بستگی به موبیلیته (قابلیت حرکت) مقاومت هادی دارد. با توجه به محدود بودن ولتاژ خروجی، این ولتاژ نیاز به تقویت دارد که این عمل با استفاده از یک طبقه تقویت کننده تفاضلی صورت می گیرد و در صورتی که از منبع تغذیه با ریپل زیاد استفاده شود وجود یک رگولاتور ولتاژ، مطابق شکل الزامی می باشد.
مدار یک رگولاتور ولتاژ
این رگولاتور باعث ثابت شدن جریان I می شود، در نتیجه ولتاژ هال فقط تابعی از میدان مغناطیسی می باشد. به طور معمول سنسور های اثر هال در دو نوع دیجیتال و آنالوگ ساخته می شوند که عملکرد آنها به صورت زیر می باشد.
سنسور های اثر هال دیجیتال
سنسور های دیجیتال دارای خروجی ON/OFF می باشند. در واقع در این سنسور ها زمانی که میدان مغناطیسی به حد مطلوبی برسد، سنسور وصل می شود و پس از اینکه میدان از حد معینی کمتر شود خروجی سنسور قطع می گردد. در نتیجه در این سنسور ها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر و سپس به یک ترانزیستور که نقش یک سوئیچ را ایفا می کند می دهند تا این عمل را انجام دهد.
شکل زیر مدار داخلی یک سنسور اثر هال دیجیتال را نشان می دهد.
مدار داخلی سنسور اثر هال دیجیتال
کاربرد های سنسور اثر هال دیجیتال
- سیستم های ارتباطات بی سیم
- سنجش فشار
- سنجش میزان جریان
- اندازه گیری سرعت
- سنجش موقعیت شیر های مکانیکی
- تشخیص تماس فیزیکی
- سنجش موقعیت لنز ها
سنسور های اثر هال آنالوگ
سنسور های آنالوگ ولتاژ خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود تنظیم می کنند. میدان مغناطیسی تشخیص داده شده ممکن است مثبت و یا منفی باشد که در این صورت در خروجی تقویت کننده ولتاژ مثبت یا منفی ظاهر می گردد، که برای محقق شدن این امر نیاز به یک منبع دوبل به منظور تأمین تغذیه تقویت کننده تفاضلی می باشد. البته میتوان با جمع کردن یک ولتاژ افست در تقویت کننده تفاضلی از منبع معمولی استفاده کرد. در این حالت خروجی تقویت کننده در صورت عدم حضور میدان مغناطیسی دارای ولتاژ خنثی (Null Voltage) می باشد و زمانی که میدان مغناطیسی مثبت حضور داشته باشد خروجی از مقدار خنثی بیشتر می شود و بر عکس زمانی که میدان مغناطیسی منفی حضور داشته باشد، خروجی تقویت کننده از مقدار خنثی کمتر می شود. بنابراین مطابق شکل زیر ولتاژ خروجی همواره مثبت می باشد.
نمودار ولتاژ خروجی
خروجی تقویت کننده عملیاتی برای ایجاد یک ارتباط پایدارتر به یک ترانزیستور اعمال می گردد. شکل زیر مدار کامل شده یک سنسور اثر هال با خروجی آنالوگ را نشان می دهد.
مدار کامل سنسور اثر هال آنالوگ
کاربرد های سنسور اثر هال آنالوگ
- سنجش سرعت چرخ برای سیستم ترمز ضد قفل خودرو یا ABS
- تشخیص دسترسی به منبع تغذیه
- اندازه گیری جریان غیر هجومی
- سنجش حرکت
- تنظیم ولتاژ
- برای حفاظت در دستگاه های کنترل موتور
- اندازه گیری میدان مغناطیسی
- اندازه گیری فاصله
مزایای سنسور اثر هال
- عدم وجود قطعات متحرک در سنسور و در نتیجه طول عمر بالا
- عدم نیاز به تعمیر و نگهداری
- مقاوم در برابر لرزش، آب و گرد و غبار
- سرعت و پاسخ فرکانسی بالا
- بازه دمایی گسترده
- عملکرد تکرار پذیری عالی
معایب سنسور اثر هال
- تاثیر میدان های مغناطیسی خارجی روی مقدار اندازه گیری شده توسط سنسور
- تاثیر دمای بالا بر روی حساسیت سنسور
- محدود بودن میزان فاصله تشخیص سنسور
مثال هایی از کاربرد سنسور اثر هال
-
اندازه گیری سرعت چرخشی
مهمترین کاربرد سنسور های اثر هال با خروجی دیجیتال، در اندازه گیری سرعت چرخشی می باشد که با نصب یک آهنربای دائم بر روی محور جسم متحرک یا استفاده از یک آهنربای دیسکی شکل بر روی محور دوار، میتوان سرعت چرخش محور را توسط سنسور اثر هال اندازه گیری کرد.
اندازه گیری سرعت چرخش موتور
-
سنجش میزان جابجایی فانوس در فشارسنج های فانوسی
یکی از کاربرد های سنسور های اثر هال با خروجی آنالوگ در فشار سنج های فانوسی (Bellow) می باشد که مطابق شکل زیر می توان با نصب یک آهنربا به فانوس، میزان جابجایی فانوس را توسط این سنسور اندازه گیری کرد.
سنجش میزان جابجایی فانوس در فشارسنج های فانوسی
-
تشخیص موقعیت سنسور های تشخیص پره
از کاربرد های دیگر سنسور های اثر هال در تشخیص موقعیت سنسور های تشخیص پره می باشد. این سنسور ها دارای یک فاصله هوایی میان خود و آهنربا می باشند و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاویه ای را نیز دارند. اساس کار سنسور های موقعیت تشخیص پره، بدین صورت است که زمانی پره در فاصله هوایی بین آهنربا و سنسور قرار گیرد خطوط شار مغناطیسی پراکنده می شوند و توسط سنسور اثر هال تشخیص داده نمی شوند، بنابراین خروجی سنسور صفر می باشد و زمانی که پره از این فاصله هوایی خارج می شود خروجی سنسور یک می شود.
تشخیص موقعیت سنسور های تشخیص پره
در برخی از این نوع سنسور ها به جای پره از چند دیسک متصل به یک محور استفاده می شود، این دیسک ها از فاصله هوایی پره عبور می کنند. شکل این دیسک ها به گونه ای است که مجموعه دیسک ها تولید کد های خاصی را می نمایند. به این ترتیب کد حاصل از این روش، موقعیت محور را تعیین می نماید.
استفاده از چند دیسک متصل به یک محور به جای پره
البته می توان به جای استفاده از دیسک ها و سنسور های پره از چند آهنربای دیسکی متصل به شفت و سنسور های اثر هال دو قطبی استفاده کرد، که آهنربای دیسکی می تواند دارای دو جفت قطب یا چندین جفت قطب باشد. هرچه تعداد این جفت قطب ها بیشتر باشد تعداد پالس های تولیدی بیشتر و حد تفکیک پذیری بهتری را نتیجه میدهد. محدودیت در ساخت آهنربا های دیسکی با جفت قطب های زیاد، عیب این روش محسوب می شود. شکل زیر این نوع کاربرد را نشان می دهد.
استفاده از آهنربای دیسکی متصل به شفت و سنسور های اثر هال دو قطبی
-
سیستم ترمز ABS خودرو
از کاربرد های دیگر این سنسور می توان، ترمز ABS خودرو ها را نیز نام برد. در این سیستم سنسور طوری قرار گرفته است که یک چرخ دنده داخلی را حس می کند و زمان عکس العمل سیستم توقف، بر مبنای فرکانس سیگنالی که تولید میکند تخمین زده می شود.
سیستم ترمز ABS خودرو