حسگرهای اثر هال و عملکرد آن‌ها

اثر هال (Hall Effect) چیست؟

اثر هال توسط ادوین هال (Dr. Edwin Hall) در سال ۱۸۷۹ کشف شد. دانشمند هال پی برد که اگر میدان مغناطیسی عمود بر رسانای حامل جریان ثابت وارد شود، الکترون‌های جریان به طرف دیگر رسانا کشیده می‌شوند و در نتیجه اختلاف پتانسیل (ولتاژ) به وجود می‌آید.

نکته‌ی جالب اثر هال این است که حتی در حالت ماندگار (steady state) این اثر برقرار است. به این معنی که وقتی میدان مغناطیسی اعمالی و جریان الکتریکی عبوری در طول زمان مقدار ثابتی داشته باشند، همچنان اختلاف پتانسیل در جهت محور عرضی صفحه‌ی رسانا وجود دارد.

هم‌چنین او به این نکته پی برد که میزان ولتاژ به‌اندازه‌ی جریان عبوری رسانا و چگالی شار مغناطیسی عمود بر صفحه‌ی رسانا بستگی دارد.

حسگرهای اثر هال، با استفاده از میدان مغناطیسی، می‌توانند متغیرهایی مانند نزدیکی، سرعت یا جابجایی یک دستگاه مکانیکی را تشخیص دهند. این حسگرها، غیر تماسی هستند و نیازی به تماس با المان‌های فیزیکی ندارند.

آن‌ها می‌توانند سیگنال دیجیتال (روشن و خاموش) یا آنالوگ (پیوسته) را بسته به طراحی و عملکرد مورد نظر خود تولید کنند. در این وبلاگ از اسکایتک با ما همراه باشید تا با عملکرد و کاربردهای حسگرهای اثر هال آشنا شویم.

عملکرد حسگرهای اثر هال

به هنگام عبور جریان الکتریکی از هر رسانایی یا نیم رسانایی، ذره‌های حامل بار به طور طبیعی در یک خط مستقیم حرکت می‌کنند.

اما با قرار دادن آهنربای دائمی، ذره‌های حامل بار (الکترون و حفره‌ها) به دو طرف صفحه‌ی رسانا یا نیم رسانا کشیده می‌شوند. در نهایت اختلاف پتانسیل عمود بر میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود.

حسگرهای اثر هال، با وارد شدن میدان مغناطیسی خارجی فعال می‌شوند و می‌توانند حرکت جسمی را از طریق اندازه‌ی میدان مغناطیسی (نزدیک‌تر یا دورتر) تشخیص دهند. معمولاً از نوع رسانا یا نیم رسانای نوع p مانند GaAs، InSb و یا InAs هستند.

اثر هال وابسته به نوع قطبش و اندازه‌ی میدان مغناطیسی است. برای مثال، استفاده از قطب جنوب باعث فعال شدن حسگر و ایجاد اختلاف پتانسیل می‌شود. اما قطب شمال تأثیری بر حسگر ندارد و ذره‌های حامل بار حرکت نمی‌کنند و ولتاژ آن صفر است.

در حالت کلی، حسگر و سوئیچ‌های اثر هال، برای حالت خاموش (مدار باز) ساخته می‌شوند. تنها در حالتی که این ادوات تحت میدان مغناطیسی قوی با قطبش مناسب قرار بگیرند، فعال می‌شوند و وضعیت آن‌ها در حالت روشن (مدار بسته) قرار می‌گیرند.

ساختار حسگرهای اثر هال

چگالی شار (B) (میزان شار مغناطیسی عبوری از واحد) و قطبش (P) از ویژگی‌های مهم میدان مغناطیسی هستند. سیگنال خروجی حسگرهای اثر هال، تابع چگالی شار اطراف دستگاه است.

اگر چگالی شار اطراف حسگر از حد آستانه‌ی مشخص بالاتر رود، حسگر آن را تشخیص می‌دهد و ولتاژ خروجی به نام ولتاژ هال (V_H)، را تولید می‌کند. این ولتاژ متناسب با اندازه‌ی میدان مغناطیسی (H) است.

این ولتاژ خروجی در بازه‌ی چند میکرو ولت است، بنابراین بیش‌تر حسگرهای اثر هال با تقویت‌کننده‌های DC داخلی، مدارهای سوئیچ منطقی و تنظیم کننده‌های ولتاژ برای بهبود حساسیت ساخته می‌شوند.

این ویژگی همچنین به حسگرهای اثر هال اجازه می‌دهد تا در بازه‌ی وسیع‌تری از منابع تغذیه و شرایط میدان مغناطیسی کار کند. خروجی حسگرهای اثر هال می‌تواند به صورت خطی (آنالوگ) یا دیجیتال باشد.

حسگر خطی/ آنالوگ

خروجی حسگرهای خطی به طور مستقیم از تقویت کننده‌ی عملیاتی گرفته می‌شود. در زیر رابطه‌ی ولتاژ اثر هال برای حسگرهای آنالوگ آورده شده است:

که در آن V_H ولتاژ اثر هال، R_H ضریب اثر هال، I جریان عبوری از حسگر، t ضخامت حسگر برحسب میلی متر و B چگالی شار مغناطیسی است.

ولتاژ خروجیِ حسگر خطی، پیوسته است و با افزایش شدت میدان مغناطیسی زیاد می‌شود و برعکس. در حسگرهای اثر هال خطی، هرچه شدت میدان مغناطیسی زیاد شود، خروجی تقویت‌کننده تا آستانه‌ی مشخص زیاد می‌شود و به اشباع خود می‌رسد.

از این آستانه به بعد، هر افزایشی در میدان مغناطیسی هیچ اثری روی ولتاژ خروجی ندارد. اگر میدان مغناطیسی را افزایش دهیم، حسگر بیشتر به حالت اشباع می‌رود.

میدان مغناطیسی احساس شده توسط حسگر آنالوگ، می‌تواند مثبت یا منفی باشد و از طرفی خروجی تقویت کننده‌ها نیز می‌تواند مثبت یا منفی باشد که نیاز به دو منبع تغذیه‌ی مثبت و منفی دارند.

برای جلوگیری از افزایش هزینه و فضای PCB، بهتر است از تقویت کننده‌ی تفاضلی با آفست معین استفاده شود. اگر میدانی وارد نشود، مقدار آفست در خروجی ظاهر می‌شود.

اگر میدان وارد شده مثبت باشد، سیگنال خروجی بیش‌تر از مقدار آفست و اگر میدان منفی باشد، خروجی آن مقداری مثبت و کم‌تر از مقدار آفست خواهد بود.

حسگر دیجیتال

در حسگرهای دیجیتال، از واحد اشمیت تریگر استفاده می‌شود. اشمیت تریگر یک مقایسه کننده‌‌ی فعال با فیدبک مثبت است که سیگنال آنالوگ را از تقویت کننده‌ی عملیاتی دریافت می‌کند و سپس آن را به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند.

در این مدار، وقتی ولتاژ ورودی از آستانه‌ی مشخص شده، فراتر رود؛ ولتاژ خروجی اشمیت تریگر برابر یک منطقی یا حالت روشن خواهد بود.

اما اگر ولتاژ ورودی از مقدار آستانه کم‌تر باشد، ولتاژ خروجی آن برابر صفر منطقی یا حالت خاموش خواهد بود. با توجه به خاصیت هیسترزیس مدار اشمیت تریگر، هیچ گونه نوسانی در خروجی حسگر وجود ندارد و فقط دارای دو حالت خاموش یا روشن هستند.

دو نوع اصلی از حسگرهای اثر هال دیجیتال وجود دارد : دوقطبی (Bipolar) و تک قطبی (Unipolar). حسگرهای دوقطبی برای فعال شدن، به میدان مغناطیسی مثبت (قطب جنوب آهنربا) و برای غیر فعال شدن، به میدان مغناطیسی منفی (قطب شمال آهنربا) نیاز دارند.

در حالی که حسگرهای تک قطبی،‌ با قرار گرفتن در معرض قطب جنوب آهنربا فعال می‌شوند. اگر آهنربا از طرف قطب جنوب از حسگر دور شود، حسگر غیرفعال خواهد شد و نیازی به قطب شمال آهنربا نیست.

راه اندازی حسگر با جریان بالا

بیش‌تر حسگرهای اثر هال توانایی تحمل بارهای جریان بالا را ندارند. جریان خروجی آن‌ها در بازه‌ی 10 تا 20 میلی آمپر است. برای داشتن جریان بالا در خروجی، از تقویت کننده‌ی جریان مانند ترانزیستور NPN استفاده می‌شود. این ترانزیستور مانند کلید کار می‌کند.

با رسیدن چگالی شار مغناطیسی به مقدار آستانه، خروجی را زمین می‌کند. پیکربندی این ترانزیستور را می‌توان به صورت امیتر باز یا کلکتور باز یا هر دو (تقویت کننده‌ی push pull) طراحی کرد. به این ترتیب می‌توان این حسگر را به بارهایی با جریان بالا مانند رله، موتور، LED و لامپ وصل کرد.

حالت‌های حرکت آهنربا و حسگر

حسگرهای اثر هال با میدان مغناطیسی فعال می‌شوند. در بسیاری از کاربردها، حسگر و آهنربا روی یک میله‌ی متحرک قرار می‌گیرند. حرکت حسگر و آهنربا نسبت به هم دارای حالت‌های “رو به جلو” و “جانبی” هستند.

حرکت رو به جلو

در این حرکت، حسگر و میدان مغناطیسی عمود بر هم قرار می‌گیرند. برای فعال شدن حسگر، آهنربا به طور مستقیم به سمت حسگر حرکت می‌کند.

در این حرکت، ولتاژ اثر هال تابعی از فاصله‌ی بین حسگر و آهنرباست. هر چه این فاصله کم‌تر باشد، میدان مغناطیسی وارد شده بر حسگر قوی‌تر و در نتیجه ولتاژ خروجی آن بیش‌تر می‌شود و برعکس.

حرکت جانبی

در این حرکت، فاصله‌ی بین حسگر و آهنربا ثابت است. آهنربا به صورت جانبی (به سمت چپ و راست) حرکت می‌کند. با در نظر گرفتن وسط حسگر به عنوان نقطه‌ی صفر، ولتاژ خروجی حسگر می‌تواند مثبت یا منفی باشد. این حرکت برای تشخیص سرعت چرخشی مانند سرعت موتور مناسب است.

کاربردهای حسگرهای اثر هال

صنعت خودروسازی

سنجش موقعیت زاویه‌ای میل لنگ خودرو، موقعیت صندلی‌های خودرو و کمربند ایمنی و سرعت چرخ توسط حسگرهای اثر هال انجام می‌شوند.

علاوه بر این کاربردهای مختلف، نشان‌گر میزان سوخت از کاربردهای اصلی در صنعت خودروسازی است. دو روش برای سنجش سطح سوخت وجود دارد.

روش سنجش سوخت به این صورت است که آهنربا بر روی سطح شناور سوخت قرار می‌گیرد. حسگر مغناطیسی در بالای مخزن سوخت و راستای آهنربا قرار دارد.

با پر کردن مخزن سوخت، آهنربای شناور به سمت بالا حرکت می‌کند و میدان مغناطیسی وارد شده بر حسگر قوی‌تر می‌شود. در نتیجه ولتاژ اثر هال افزایش می‌یابد و نشان‌گر سوخت به سمت “پُر” می‌رود.

با خالی شدن مخزن، آهنربا از حسگر دور می‌شود. ولتاژ اثر هال کم می‌شود و نشان‌گر سوخت به سمت “خالی” می‌رود.

آشکارساز موقعیت

یکی دیگری از کاربردهای حسگرهای اثر هال، استفاده از LED برای نشان دادن موقعیت است. وقتی میدان مغناطیسی وجود ندارد، LED خاموش می‌ماند. با حرکت دادن آهنربا به سمت حسگر، ولتاژ اثر هال زیاد و باعث روشن شدن LED می‌شود.

گوشی‌های هوشمند

برخی از گوشی‌ها و تبلت‌های هوشمند، دارای حسگرهای اثر هال برای کنترل صفحه‌ی نمایش هستند. کاورهای مغناطیسی برای این نوع گوشی‌ها وجود دارند که با بسته شدن کاور، میدان مغناطیسی بر حسگر وارد می‌شود.

سپس ولتاژ خروجی توسط مدار اشمیت تریگر ایجاد می‌شود و می‌تواند عملیات خاصی مانند خاموش کردن صفحه‌ی نمایش یا کم نور کردن آن را انجام دهد.