GebraBit

سنسورهای اثر هال

متن سربرگ خود را وارد کنید

سنسورهای اثر هال

سنسورهای اثر هال

سنسورهای اثر هال
  1. خانه
  2. »
  3. انواع سنسور
  4. »
  5. سنسورهای اثر هال

این سنسورها میدان‌های مغناطیسی را تشخیص داده و اندازه‌گیری می‌کنند و معمولاً در خودروسازی، روباتیک و اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شوند.

اثر هال چیست؟

اثر هال پدیده‌ای است که توسط ادوین هال در سال 1879 کشف شد. این پدیده به تولید اختلاف ولتاژ (ولتاژ هال) در یک هادی الکتریکی یا مواد نیمه هادی زمانی که تحت یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان قرار می‌گیرد، اشاره دارد.

هنگامی که یک هادی یا نیمه هادی حامل جریان در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیروی لورنتس بر حامل‌های بار متحرک (الکترون‌ها یا حفره‌ها) اثر می‌گذارد. این نیرو حامل‌های بار را به سمت یک طرف هادی هل می‌دهد بنابراین بار در آن سمت انباشته می‌شود. در نتیجه میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که اختلاف ولتاژ بین دو طرف هادی ایجاد می‌کند. این اختلاف ولتاژ به ولتاژ هال معروف است.

نام این قانون برگرفته از نام هندریک لورنتس فیزیکدان هلندی است که اولین بار درباره این نیرو صحبت کرد. بر این اساس، نیروی لورنتس نیرویی است که بر یک ذره باردار در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی وارد می‌شود.
نیروی لورنتس (F) که بر ذره باردار با بار q که با سرعت v در یک میدان مغناطیسی B حرکت می‌کند را می‌توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد:

lorentz force formula

که در آن:

  • F نیروی الکترومغناطیسی وارد بر بار آزمایشی q است
  • q بار الکتریکی ذره و
  • v سرعت ذره بوده و
  • E به میدان الکتریکی خارجی اشاره دارد
  • B نیز میدان مغناطیسی است

بزرگی ولتاژ هال به عوامل مختلفی از جمله قدرت میدان مغناطیسی، جریان عبوری از هادی و نوع حامل‌های بار موجود بستگی دارد. اثر هال را می‌توان با معادله زیر توصیف کرد:

Hall effect formula

که در آن

VH ولتاژ هال،
B قدرت میدان مغناطیسی،
I جریانی است که از هادی عبور می‌کند،
d ضخامت هادی،
n چگالی حامل بار و
q بیانگر بار حامل‌ها میباشد.

سنسورهای اثرهال

سنسورهای اثر هال المان‌های الکترونیکی هستند که برای تشخیص حضور، موقعیت و قدرت میدان مغناطیسی استفاده می‌شوند. این سنسورها برای انجام این کارها از اثر هال (که تولید اختلاف ولتاژ در یک هادی الکتریکی است که در معرض میدان مغناطیسی عمود بر جریان جریان قرار می‌گیرد) استفاده می‌کنند.

یک سنسور اثر هال شامل یک نوار نازک از مواد رسانا است که معمولاً از مواد نیمه هادی ساخته شده است. اعمال یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان در نوار، باعث ایجاد نیروی لورنتس بر حامل‌های بار (الکترون‌ها یا سوراخ‌ها) درون ماده میشود. این نیرو باعث ایجاد بار در یک طرف نوار شده و در نتیجه اختلاف ولتاژ بین دو طرف ایجاد میشود.

انواع سنسورهای هال

سنسورهای جلوه هال را می‌توان بر اساس انواع خروجی و کاربرد آنها دسته بندی کرد. درادامه با برخی از انواع رایج این سنسورها بیشتر آشنا خواهیم شد:

سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال

سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال که به عنوان سوئیچ‌های اثر هال نیز شناخته می‌شوند، سیگنال دیجیتالی را ارائه می‌دهند که زمانی که میدان مغناطیسی از آستانه خاصی فراتر رود، حالت را تغییر می‌دهد. آنها معمولا برای تشخیص مجاورت، لیمیت سوئیچ‌ها یا کلیدهای حد و سنجش سرعت چرخشی استفاده می‌شوند.

این سنسورها یک سیگنال خروجی باینری دارند که معمولاً به صورت «High»/«Low»، «روشن(on)»/«خاموش(off)» نشان داده می‌شود. در این سنسورها خروجی زمانی تغییر حالت می‌دهد که میدان مغناطیسی از آستانه از پیش تعریف شده عبور کند.

Digital-Hall-Effect-Sensor

در سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال از مدار “اشمیت تریگر” استفاده می‌شود. مدار اشمیت تریگر یک مدار مقایسه کننده است که از فیدبک مثبت استفاده میکند. این مدار، یک مدار فعال است که سیگنال ورودی آنالوگ را به سیگنال خروجی دیجیتال تبدیل میکند. در این مدار، زمانی که ولتاژ ورودی از آستانه مشخصی فراتر رود، ولتاژ خروجی 1 ولت خواهد بود که به این معنیست که کلید در حالت “روشن” قرار دارد. هنگامی که ولتاژ ورودی کمتر از مقدار آستانه باشد، ولتاژ خروجی این مدار 0 ولت خواهد بود، به این معنی که کلید در حالت “خاموش” است. هنگامی که این سنسور در معرض میدان مغناطیسی قرار میگیرد یا میدان مغناطیسی حذف می‌شود، به دلیل وجود مدار اشمیت تریگر، نوسانی در مدار خروجی سنسور مشاهده نمیشود.

دیاگرام مدار سنسور اثرهال با خروجی دیجیتال

سنسورها دیجیتال اثر هال می‌توانند میدان‌های مغناطیسی ضعیف را نیز تشخیص دهند. آنها به گونه‌ای طراحی شده اند که از حساسیت بالایی برای اطمینان از سوئیچینگ مطمئن و دقیق برخوردار باشند.
این سنسورها زمان پاسخگویی سریعی دارند و امکان تشخیص و پاسخ سریع به تغییرات میدان مغناطیسی را فراهم می‌کنند. این ویژگی برای مواردی که به تشخیص و کنترل درلحظه نیاز است، مفید خواهد بود.
این سنسورها اغلب دارای خروجی‌های open-drain یا open-collector هستند که می‌توانند مستقیماً به میکروکنترلرها، PLCها یا سایر دستگاه‌های منطقی متصل شوند.
یکی از مزایای قابل توجه سنسورهای اثر هال این است که بدون تماس فیزیکی کار می‌کنند. این سنسورها می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را از طریق مواد غیر مغناطیسی حس کنند و برای محیط‌های سخت و کاربردهایی که در آنها حسگرهای مبتنی بر تماس ممکن است از کار بیفتند، مناسب هستند.

سنسورهای اثر هال تک قطبی

سنسورهای اثر هال تک قطبی نوعی سنسور مغناطیسی هستند که وجود و قدرت میدان‌های مغناطیسی را تشخیص می‌دهند. برخلاف سنسورهای دوقطبی اثر هال، که می‌توانند هم قطب N و هم قطب S آهنربا را تشخیص دهند، حسگرهای تک قطبی تنها می‌توانند یکی از قطب‌ها را تشخیص دهند.
سنسورهای اثر هال تک قطبی برای تشخیص وجود یک قطب مغناطیسی خاص، اعم از شمال یا جنوب طراحی شده‌اند. آنها معمولاً برای تشخیص موثرتر یک قطبی بهینه شده‌اند و تشخیص مطمئن و درستی را ارائه می‌دهند.
سنسورهای اثر هال تک قطبی دارای یک سیگنال خروجی دیجیتال هستند که بر اساس وجود یا عدم وجود قطب مورد نظر بین سطوح High یا Low سوئیچ می‌کند. آنها در نهایت یک پاسخ روشن/خاموش ساده ارائه می‌دهند و این ویژگی، این سنسورها را برای برنامه‌هایی که نیاز به تشخیص باینری یا تشخیص مجاورت دارند، مناسب هستند.

Unipolar Hall Effect Sensor
سنسور اثرهال تک قطبی

سنسورهای اثر هال تک قطبی معمولاً می‌توانند در محدوده دمایی وسیعی کار کنند و طیف وسیعی از قدرت میدان مغناطیسی را کنترل کنند. آنها اغلب در محیط‌های سخت که تغییرات دما و میدان‌های مغناطیسی قوی وجود دارد استفاده می‌شوند.
بسیاری از سنسورهای اثر هال تک قطبی دارای محافظ داخلی در برابر قطبیت معکوس هستند که این اطمینان را ایجاد میکند که سنسور تحت تأثیر ریورس(reversal) تصادفی میدان مغناطیسی قرار نگیرد. این ویژگی دوام و قابلیت اطمینان سنسور را افزایش می‌دهد.
سنسورهای اثر هال تک قطبی به دلیل مصرف کم انرژی خود شناخته شده‌اند و برای کاربردهایی که در آنها تغذیه توسط باطری تامین میشود و یا نیاز به مصرف کم انرژی هست، مناسب هستند.

کاربردهای سنسورهای اثرهال تک قطبی

سنسورهای اثر هال تک قطبی در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، اتوماسیون صنعتی، رباتیک، لوازم الکترونیکی مصرفی و غیره کاربرد دارند. سادگی، درستی و استحکام این سنسورها، آنها را به انتخابی محبوب برای تشخیص مجاورت، تشخیص موقعیت، اندازه‌گیری سرعت و دیگر کاربردهای مرتبط با میدان مغناطیسی تبدیل کرده است.

سنسورهای اثر هال دوقطبی

سنسورهای اثر هال دوقطبی نوع دیگری از سنسورهای مغناطیسی هستند که بر خلاف سنسورهای تک قطبی اثر هال می‌توانند قطب شمال و جنوب آهنربا را تشخیص دهند. آنها از پدیده اثر هال برای اندازه گیری میدان‌های مغناطیسی و ارائه اطلاعات ارزشمند در مورد قدرت و قطبیت میدان استفاده می‌کنند.
همانطور که گفته شد سنسورهای اثر هال دوقطبی می‌توانند هر دو قطب مغناطیسی N وS را تشخیص داده و بین آنها تمایز قائل شوند. این ویژگی آنها را برای کاربردهایی که تشخیص هر دو قطب مورد نیاز است به یک انتخاب همه منظوره تبدیل می‌کند.

Bipolar Hall Effect Sensor
سنسورهای اثر هال دوقطبی

سنسورهای اثر هال دوقطبی دارای محدوده حسی وسیعی هستند که آنها را قادر می‌سازد طیف وسیعی از قدرت میدان مغناطیسی را به دقت اندازه گیری کنند. این آنها را برای کاربردهایی مناسب می‌کند که شدت میدان مغناطیسی ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد.
مشابه حسگرهای تک قطبی، سنسورهای اثر هال دوقطبی بدون تماس فیزیکی با منبع میدان مغناطیسی کار می‌کنند.
این سنسورها پایداری دمایی خوبی دارند به این معنی که می‌توانند دقت و عملکرد خود را حتی در شرایط دمایی متفاوت حفظ کنند. این پایداری برای پروژه‌هایی که نوسانات دمایی دارند، بسیار مهم است.
بسیاری از سنسورهای دوقطبی اثر هال از محافظت از قطبیت معکوس برای محافظت از سنسور در برابر آسیب ناشی از قطبیت معکوس تصادفی میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند. این ویژگی باعث افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان سنسور می‌شود.
سنسورهای اثر هال دوقطبی فشرده، سبک وزن هستند و به راحتی در مدارها و سیستم‌های الکترونیکی ادغام می‌شوند. آنها معمولاً در پکیج‌های کوچک عرضه می‌شوند که آنها را برای کاربردهای محدود فضا مناسب می‌کند.

کاربردهای سنسورهای اثرهال دو قطبی

سنسورهای اثر هال دوقطبی در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، اتوماسیون صنعتی، رباتیک، دستگاه‌های پزشکی و غیره کاربرد دارند. آنها معمولاً برای سنجش سرعت و موقعیت، کنترل موتور و سایر کاربردهایی که نیاز به تشخیص دقیق و مطمئن میدان مغناطیسی دارند، استفاده می‌شوند.

سنسورهای اثر هال با خروجی آنالوگ

سنسورهای اثر هال با خروجی آنالوگ، همانطور که از نام آن پیداست، سیگنال خروجی آنالوگ را در خروجی خود ارائه می‌دهند که متناسب با قدرت میدان مغناطیسی حس شده است. این سنسورها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به اندازه گیری مداوم یا دقیق میدان‌های مغناطیسی دارند.

سنسورهای اثر هال آنالوگ یک ولتاژ یا جریان خروجی خطی تولید می‌کنند که مطابق با قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده است. سیگنال خروجی متناسب با شدت میدان مغناطیسی تغییر می‌کند و امکان اندازه گیری و کنترل دقیق میدان مغناطیسی را فراهم میکند.

analog Output Hall Effect Sensors

در سنسورهای اثر هال آنالوگ، خروجی سنسور مستقیماً به یک تقویت کننده متصل می‌شود و سیگنال از خروجی تقویت کننده گرفته می‌شود.

دیاگرام مدار سنسور اثرهال با خروجی آنالوگ

این سنسورها می‌توانند طیف وسیعی از قدرت میدان مغناطیسی را از ضعیف تا قوی اندازه گیری کنند. آنها حساسیت بالایی دارند و می‌توانند حتی تغییرات ناچیز در میدان‌های مغناطیسی را تشخیص دهند.
سنسورهای اثر هال با خروجی آنالوگ معمولاً وضوح بالایی دارند و اندازه گیری دقیق و کنترل دقیق را برای کاربر امکان پذیر می‌کنند. این به ویژه در کاربردهایی که اندازه گیری‌های دقیق مورد نیاز است مفید است.
مانند سنسورهای دیجیتال اثر هال، سنسورهای اثر هال خروجی آنالوگ نیز بدون تماس فیزیکی کار می‌کنند. آن‌ها می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را از طریق مواد غیر مغناطیسی حس کنند و برای کاربردهایی که سنسورهای مبتنی بر تماس ممکن است قابل استفاده نباشند، مناسب هستند.
بسیاری از سنسورهای اثر هال خروجی آنالوگ دارای ویژگی‌های جبران دما برای حفظ دقت در محدوده دمایی گسترده هستند. این ویژگی هر گونه تغییر در عملکرد سنسور به دلیل تغییرات دما را جبران می‌کند.

کاربردهای سنسورهای اثر هال

با اندازه گیری این اختلاف ولتاژ، سنسورهای اثر هال می‌توانند ویژگی‌های مختلف یک میدان مغناطیسی را تعیین کنند. برخی از کاربردهای رایج سنسورهای جلوه هال عبارتند از:

تشخیص مجاورت

سنسورهای اثر هال می‌توانند وجود یا عدم وجود آهنربا یا میدان مغناطیسی را تشخیص دهند. آنها معمولاً در سوئیچ‌های مجاورتی برای تشخیص موقعیت اشیا یا تشخیص باز و بسته شدن درها یا پنجره‌ها استفاده می‌شوند.

تشخیص سرعت

سنسورهای جلوه هال می‌توانند سرعت یا حرکت چرخشی یک جسم مغناطیسی شده مانند چرخ یا چرخ دنده را اندازه گیری کنند. این باعث می‌شود که این سنسورها برای استفاده مواردی مانند سرعت سنج، دور سنج و سیستم‌های کنترل موتور مفید باشند.

تشخیص جریان

سنسورهای اثر هال می‌توانند جریان الکتریکی را از طریق یک هادی اندازه گیری کنند. آنها اغلب در الکترونیک قدرت برای نظارت بر سطوح جریان و ایجاد حفاظت در برابر جریان اضافه استفاده می‌شوند.

تشخیص موقعیت

با قرار دادن آهنربا بر روی یک جسم متحرک و استفاده از حسگر اثر هال برای تشخیص میدان مغناطیسی، می‌توان به طور دقیق موقعیت را تشخیص داد. این در کاربردهایی مانند رباتیک، اندازه گیری جابجایی خطی و کنترل کننده‌های جوی‌استیک (joystick) مفید است.

سنسورهای اثر هال دارای مزایای زیادی از جمله عملکرد بدون تماس، قابلیت اطمینان بالا، بازه دمایی وسیع و مقاومت در برابر گرد و غبار، خاک و رطوبت هستند. آنها همچنین زمان پاسخ سریعی دارند و می‌توانند در هر دو میدان مغناطیسی DC و AC کار کنند.
به طور خلاصه، سنسورهای اثر هال سنسورهای همه کاره‌ای هستند که می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را در کاربردهای مختلف شناسایی، اندازه گیری و نظارت کنند. آنها در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا، تولید و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار میگیرند که به بهبود عملکرد و کارایی کمک می‌کنند.

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

Be the first to write a review

لطفا با ارسال دیدگاه و امتیاز دهی تیم جبرا را در بهبود کیفیت همیاری کنید

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

Shopping cart
Start typing to see posts you are looking for.

Sign in

No account yet?