مقدمه

بدون اشاره به سنسوررهای مغناطیسی و مخصوصا سنسور اثر هال که بسیار متداول است، نمی‌توانستیم بحث درمورد مغناطیس را پایان دهیم.

سنسورهای مغناطیسی اطلاعات مغناطیسی یا رمزگذاری‌شده به‌طورمغناطیسی را به سیگنال‌های الکتریکی برای پردازش توسط مدارهای الکتریکی تبدیل می‌کنند.سنسورهای مغناطیسی قطعات حالت جامد هستند که روز به روز محبوب‌تر می‌شوند زیرا می‌توانند در بسیاری از کاربردها مانند تشخیص مکان، تشخیص سرعت یا تشخیص حرکت جهت‌دار استفاده شوند. همچنین این سنسورها به دلیل عملکرد آزاد پوششی غیرتماسی، هزینه نگهداری پایین، طراحی مطمئن برای طراحان الکترونیک انتخاب مناسبی هستند. این سنسورها نسبت به فضای اطراف خود عایق هستند. از این‌رو نسبت به لرزش، گرد و غبار و آب نفوذناپذیر هستند.

یکی از کاربردهای اصلی سنسورهای مغناطیسی در خودروسازی برای سنجش مکان، فاصله و سرعت است. برای مثال، مکان زاویه‌ میل‌لنگ برای زاویه آتش شمع خودرو، مکان صندلی‌های ماشین و کمربندهای صندلی برای کنترل کیسه هوا یا تشخیص سرعت چرخ برای سامانه ترمز ضد قفل (ABS).

سنسورهای مغناطیسی برای پاسخ به گستره وسیعی از میدان‌های مغناطیسی مثبت و منفی در کاربردهای مختلف طراحی می‌شوند و نوعی از سنسور مغناطیسی که سیگنال خروجی آن تابعی از چگالی میدان مغناطیسی اطراف آن است سنسور اثر هال نامیده می‌شود.

سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال قطعاتی هستند که با یک میدان مغناطیسی خارجی فعال می‌شوند. می‌دانیم که یک میدان مغناطیسی دو ویژگی مهم دارد: چگالی شار (B) و قطبیت (قطب‌های شمال و جنوب). سیگنال خروجی از یک سنسور اثر هال تابعی از چگالی میدان مغناطیسی اطراف قطعه است. وقتی چگالی شار مغناطیسی اطراف سنسور از یک مقدار معین عبور می‌کند، سنسور آن را تشخیص می‌دهد و یک ولتاژ خروجی تولید می‌کند که ولتاژ هال V_H نامیده می‌شود. طرح زیر را درنظربگیرید.

اصول سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال بطورکلی از یک تکه نازک مستطیلی از ماده نیمه هادی نوع P مثل گالیم آرسناید (GaAs)، ایندیم آنتیمونید (InSb) یا ایندیم آرسناید (InAs) تشکیل شده‌اند که یک جریان پیوسته از درون آن عبور می‌کند. وقتی این قطعه درون یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، خطوط شار مغناطیسی نیرویی را بر این نیمه‌هادی اعمال می‌کنند که حامل‌های بار، الکترون‌ها و حفره‌ها را به هر دو طرف قطعه نیمه‌هادی منحرف می‌کند. این حرکت حامل‌های بار نتیجه نیروی مغناطیسی است که با عبور از ماده نیمه‌هادی بر آنها وارد می‌شود.

هنگامی‌که این الکترون‌ها و حفره‌ها به‌سوی طرفین حرکت می‌کنند با تجمیع این حامل‌های بار یک اختلاف پتانسیل بین دو طرف نیمه‌هادی تولید می‌شود. حضور یک میدان مغناطیسی خارجی در زوایه مناسبی نسبت به نیمه‌هادی بر حرکت الکترون‌ها درون نیمه هادی اثر می‌گذارد و این تاثیر در یک ماده مستطیلی شکل مسطح بیش‌تر است.

اثر تولید یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری با استفاده از یک میدان مغناطیسی اثر هال نامیده می‌شود. ادوین هال در دهه 1870 با استفاده از اصل فیزیکی نیروی لورنتس آن را کشف کرد. برای تولید اختلاف پتانسیل در امتداد قطعه، خطوط شار مغناطیسی باید بر جهت جریان عمود باشند و قطبیت مناسبی داشته باشند، بطورکلی قطب جنوب آهنربا باید عمود بر جهت جریان باشد.

اثر هال به نوع قطب مغناطیسی و بزرگی میدان مغناطیسی بستگی دارد. برای مثال، قطب جنوب موجب تولید یک ولتاژ خروجی می‌شود درحالی‌که قطب شمال تاثیری نخواهد داشت. بطورکلی، سنسورهای اثر هال و کلیدها زمانی‌که میدان مغناطیسی وجود ندارد «خاموش» هستند (شرط مدار باز). با اعمال میدان مغناطیسی با قدرت مناسب و قطبیت صحیح سنسورهای اثر هال و کلیدها «روشن» می‌شوند (شرط اتصال کوتاه).

سنسور مغناطیسی اثر هال

ولتاژ خروجی، که ولتاژ هال (V_H) نامیده می‌شود بطور مستقیم متناسب با قدرت میدان مغناطیسی عبوری از نیمه‌هادی است (∝H خروجی). هنگامی‌که قطعه هال در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد این ولتاژ خروجی می‌تواند بسیار کوچک و در حد چندین میکرو ولت باشد بنابراین اغلب سنسورهای اثر هال موجود برای بهبود حساسیت، کاهش تلفات هیسترزیس و گرفتن ولتاژ خروجی مطلوب با تقویت‌کننده‌های جریان مستقیم (DC) داخلی، مدارهای کلیدزنی منطقی و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ ساخته می‌شوند. از این‌رو سنسور اثر هال می‌تواند در گستره وسیع‌تری از منابع تغذیه و شرایط میدان مغناطیسی کار کند.

سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال با خروجی‌های خطی یا دیجیتال وجود دارند. سیگنال خروجی برای سنسورهای خطی (آنالوگ) بطور مستقیم از خروجی تقویت‌کننده‌های عملیاتی گرفته می‌شود که این ولتاژ خروجی بطور مستقیم متناسب با میدان عبوری از سنسور هال است. ولتاژ هال خروجی به‌صورت زیر بیان می‌شود:

$V_{H} = R_{H} ( \frac{I}{t} \times B )$

که در آن

V_Hولتاژ هال برحسب ولت است.
R_Hضریب اثر هال است.
I جریان عبوری از سنسور برحسب آمپر است.
t ضخامت سنسور برحسب میلی‌متر است.
B چگالی شار مغناطیسی برحسب تسلا است.

سنسورهای خطی یا آنالوگ یک ولتاژ خروجی پیوسته می‌دهند که با یک میدان مغناطیسی قوی افزایش می‌یابد و با یک میدان مغناطیسی ضعیف کاهش می‌یابد. در سنسورهای اثر هال با خروجی خطی، با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، سیگنال خروجی تقویت‌کننده نیز تا زمانی‌که به نقطه اشباع خود برسد، افزایش خواهد یافت. پس از این نقطه هرگونه افزایش در میدان مغناطیسی تاثیری برروی خروجی نخواهد داشت اما سنسور بیش‌تر به حالت اشباع می‌رود.

از سوی‌دیگر، در سنسورهای دیجیتال، از یک اشمیت-تریگر با تلفات هیسترزیس داخلی متصل به تقویت‌کننده عملیاتی (op-amp) استفاده می‌شود. زمانی‌که شار مغناطیسی عبوری از سنسور هال از مقدار معین فراتر رود قطعه به‌سرعت بین حالت «خاموش» و «روشن» خود بدون هیچ لرزش کنترل‌نشده ای تغییر می‌کند. این امر تلفات هیسترزیس داخلی هر نوسان سیگنال خروجی را وقتی سنسور به داخل و بیرون میدان مغناطیسی حرکت می‌کند حذف می‌کند. سنسورهای خروجی دیجیتال تنها دارای دو حالت «روشن» و «خاموش» هستند.

دو نوع سنسور اثر هال دیجیتال وجود دارد، دوقطبی و تک‌قطبی. سنسورهای دوقطبی به یک میدان مغناطیسی مثبت (قطب جنوب آهنربا) نیاز دارند تا فعال شوند و با یک میدان مغناطیسی منفی (یعنی قطب شمال آهنربا) غیرفعال می‌شوند. درحالی‌که سنسورهای تک‌قطبی هنگامی‌که به دورن و بیرون میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند تنها به یک قطب جنوب (میدان مغناطیسی مثبت) برای فعال شدن و غیرفعال شدن نیاز دارند.

اغلب قطعات اثر هال توانایی کلیدزنی برای بارهای الکتریکی بزرگ را بطور مستقیم ندارند زیرا جریان خروجی آنها بسیار کوچک در حدود 10 تا 20 میلی‌آمپر است. برای داشتن جریان‌های الکتریکی بزرگ یک ترانزیستور NPN کلکتور باز (تقویت‌کننده) به خروجی افزوده می‌شود.این ترانزیستور NPN در ناحیه اشباع خود به‌عنوان یک کلید NPN عمل می‌کند و هر زمان چگالی شار اعمال‌شده از مقدار آستانه «روشن» بالاتر می‌رود پایه خروجی را زمین می‌کند.

ترانزیستور کلیدزنی خروجی می‌تواند به‌صورت پیکربندی یک ترانزیستور امیتر باز، ترانزیستور کلکتور باز یا هر دو باشد که یک پیکربندی خروجی «پوش-پول» را ایجاد می‌کند و جریان کافی را برای راه‌اندازی بارهای بسیار بزرگ از جمله رله‌ها، موتورها، LEDها و لامپ‌ها تامین می‌کند.

کاربرد اثر هال

سنسورهای اثر هال با یک میدان مغناطیسی فعال می‌شوند. در بسیاری از کاربردها این قطعه با یک آهنربای دایمی متصل به یک محور در حال حرکت کار می‌کند. انواع مختلفی از حرکت‌های آهنربایی (حرکت آهنربا نسبت به سنسور) وجود دارند، مانند «رو به جلو»،«به طرفین»، «پوش-پول» یا «پوش-پوش» و غیره. با استفاده از هر نوع پیکربندی، برای اطمینان از حداکثر حساسیت سنسور، خطوط شارمغناطیسی باید همواره بر سطح مورد سنجش عمود باشند و قطبیت صحیح باشد.

همچنین برای اطمینان از خطی بودن رفتار سنسور از آهنرباهایی قوی استفاده می‌شود. در این صورت با حرکت آهنربا تغییر بزرگی در میدان مغناطیسی عبوری از سنسور ایجاد خواهدشد. برای تشخیص یک میدان مغناطیسی حرکت آهنربا نسبت به سنسور می‌تواند در چندین جهت باشد. دو تا از متداول‌ترین پیکربندی‌ها برای تشخیص میدان مغناطیسی عبارتند از: تشخیص با حرکت رو به جلو و تشخیص با حرکت جانبی

تشخیص با حرکت رو به جلو

همان‌طور که از نام آن مشخص است، برای «تشخیص با حرکت رو به جلو» میدان مغناطیسی باید بر قطعه سنجش اثر هال عمود باشد، و آهنربا از سمت فعال خود (قطب جنوب آهنربا) در مسیری مستقیم به سنسور نزدیک می‌شود. یک نوع از روش «حرکت رو به جلو».

این روش حرکت رو به جلو یک سیگنال خروجی V_H را تولید می‌کند که در سنسورهای خطی نشان می‌دهد قدرت میدان مغناطیسی، چگالی شار مغناطیسی تابعی از فاصله آهنربا از سنسور اثر هال است. فاصله کم‌تر آهنربا از سنسور، موجب میدان مغناطیسی قوی‌تر و ولتاژ خروجی بزرگ‌تر می‌شود و بالعکس.

همچنین، سنسورهای خطی می‌توانند میدان‌های مغناطیسی مثبت و منفی را از هم متمایز کنند. سنسورهای غیرخطی می‌توانند برای تحریک خروجی «روشن» در فاصله شکاف هوایی از پیش تعیین‌شده دور از آهنربا ساخته شوند و تشخیص مکانی را نشان دهند.

تشخیص با حرکت جانبی

دومین پیکربندی تشخیص میدان «تشخیص با حرکت جانبی» است. در این پیکربندی آهنربا نسبت به سنسور اثر هال به‌صورت جانبی حرکت می‌کند.

این پیکربندی برای تشخیص حضور میدان مغناطیسی زمانی‌که آهنربا در امتداد سنسور اثر هال درون یک فاصله ثابت حرکت می‌کند مناسب است، برای مثال آهنرباهای چرخشی یا سرعت چرخش موتورها.

با توجه به مکان میدان مغناطیسی وقتی آهنربا از خط وسط سنسور با میدان صفر عبور می‌کند، یک ولتاژ خروجی خطی که هر دو خروجی مثبت و منفی را نشان می‌دهد، تولید می‌شود. از این‌رو امکان تشخیص حرکت‌های جهت‌دار که می‌توانند افقی و عمودی باشند را فراهم می‌کند.

سنسورهای اثر هال کاربردهای بسیاری به ویژه به عنوان سنسورهای مجاورتی دارند. آنها می‌توانند به‌جای سنسورهای نوری در شرایط محیطی که آب، لرزش، گرد و خاک و روغن وجود دارد مانند سیستم خودرو بکاربرده شوند. همچنین می‌توان از سنسورهای اثر هال برای سنجش جریان استفاده کرد.

می‌دانیم که وقتی جریان از یک رسانا عبور می‌کند، میدان الکترومغناطیسی دوار حول آن ایجاد می‌شود. با قرار دادن سنسور اثر هال نزدیک به این رسانا، بدون نیاز به ترانسفورماتورها و سیم‌پیچ‌های بزرگ و گران‌قیمت جریان‌های الکتریکی از حدود چند میلی آمپر تا هزاران آمپر قابل اندازه‌گیری هستند.

علاوه بر تشخیص حضور و عدم حضور آهنرباها و میدان‌های مغناطیسی، سنسورهای اثر هال می‌توانند با قراردادن یک آهنربای «بایاس» دایمی کوچک پشت ناحیه فعال سنسور برای تشخیص مواد فرومغناطیس مانند آهن و فولاد بکاربرده شوند. اکنون سنسور در یک میدان مغناطیسی دایمی و ثابت قرار دارد، و با قراردادن یک قطعه آهنی سنسور هر تغییر یا اختلالی در این میدان مغناطیسی را با حساسیتی درحدود میلی ولت بر گاوس (mV/G) تشخیص خواهد داد.

با توجه نوع سنسور، دیجیتال یا خطی، راه‌های متفاوت بسیاری برای ارتباط داشتن سنسورهای اثر هال با مدارهای الکتریکی و الکترونیکی وجود دارد. یک مثال ساده و آسان برای ساخت، دیود منتشرکننده نور (LED) است.

آشکارساز موقعیت

این آشکارساز موقعیت رو به جلو، وقتی میدان مغناطیسی وجود ندارد (0 گاوس) در وضعیت «خاموش» خواهد بود. وقتی قطب جنوب آهنرباهای دایمی (میدان مثبت) به‌صورت عمود به ناحیه فعال سنسور نزدیک می‌شود، این آشکارساز در وضعیت «روشن» خواهد بود و LED روشن می‌شود. از این پس سنسور اثر هال در وضعیت «روشن» باقی می‌ماند.

برای تغییر وضعیت آشکارساز و در نتیجه «خاموش» شدن LED، برای یک سنسور تک قطبی باید میدان مغناطیسی را از آن دور کنیم و برای یک سنسور دو قطبی باید قطب شمال آهنربا (میدان منفی) را به آن نزدیک کنیم. اگر بارهای بزرگ‌تر و در نتیجه جریان‌های بزرگ‌تر مورد نیاز باشد، در خروجی سنسور اثر هال LED با یک ترانزیستور با توان بزرگ‌تر جایگزین می‌شود.