سلام دوستان امیدوارم حالتون عالی باشه در این آموزش نگاهی به سنسور اثر هال می اندازیم و نحوه استفاده از آن را برای اندازه گیری میدان الکترومغناطیسی مورد بررسی قرار خواهیم داد. همانطور که می دانیم با استفاده از آمپرمتر و گالوانومتر به راحتی می توانیم مقدار جریان عبوری از هر قطعه الکتریکی را پیدا کنیم. اما اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی برای ما بسیار چالش برانگیز است. اگر از فردی بخواهیم که میدان مغناطیسی را پیدا کند و مقدار آن را به ما بگوید او نمی تواند به راحتی به ما پاسخ دهد. در سال 1879 یک فیزیکدان آمریکایی حسگر اثر هال را برای اندازه گیری میدان الکترومغناطیسی اختراع کرد. پس از اختراع سنسور اثر هال، تقریباً بیست سال دانشمندان به این فکر می کردند که چگونه می توانیم از اثر هال به طور عملی استفاده کنیم. با بکارگیری مواد نیمه هادی همچون سیلیکون، طراحی و عملکرد این سنسور امکان پذیر شد. در این مقاله نگاهی به کارکرد سنسور اثر هال، کاربردها و برخی اصطلاحات مرتبط دیگر را خواهیم داشت. 

سنسور اثر هال چیست؟

تجهیز اندازه گیری که برای یافتن شدت میدان مغناطیسی استفاده می شود و مقدار این میدان را بر حسب ولتاژ نشان می دهد، به سنسور اثر هال معروف است. مقدار ولتاژ در خروجی سنسور به طور مستقیم با شدت میدان مغناطیسی متناسب است.

این حسگرها توانایی تشخیص جسم مجاور را بدون اتصال فیزیکی دارند، همچنین از آنها برای یافتن موقعیت اجسام مختلف در هر ماشین یا مدار استفاده می شود.

این سنسورها توسط موادی ساخته می شوند که جریان به راحتی از آن عبور می کند و پایانه های خروجی آن با زاویه نود درجه نسبت به جهت حرکت طراحی می شوند.

هنگامی که این ماژول در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، میدان را به ولتاژ تبدیل می کند و در خروجی خود نمایش می دهد. اما مقدار ولتاژ در خروجی تقریباً چند میکرو ولت فراتر نمی رود که برای به ایجاد ولتاژ با سطح مناسب مدارهای تقویت کننده خاصی به آن متصل می شوند.

وظیفه اصلی این سنسور یافتن مقدار شدت میدان مغناطیسی است اما می توان از آن برای اندازه گیری دما، فشار و جریان نیز استفاده کرد.

عملکرد سنسور اثر هال

برای درک عملکرد سنسور اثر هال، ابتدا در مورد اثر هال صحبت می کنیم.

با توجه به اثر هال اگر هادی در یک میدان مغناطیسی با زاویه نود درجه نسبت به میدان قرار گیرد، جریانی که از هادی عبور می کند، میدان الکتریکی ایجاد می کند.

این حسگر از ماده نیمه هادی مانند GaAs (گالیوم آرسنید)، InSb (ایندیم آنتیمونید)تشکیل شده است که جریان از آن عبور می کند.

وقتی این ماده نیمه هادی را در میدان مغناطیسی قرار می دهیم، خطوط میدان بر الکترون ها و حفره در نیمه هادی نیرو وارد می کنند.

به دلیل وجود خطوط میدان مغناطیسی، الکترون‌ها و حفره‌ها برای تولید ولتاژ در پایانه‌های ماده نیمه‌رسانا حرکت می‌کنند.

تولید ولتاژ در پایانه های ماده نیمه هادی به دلیل اثر هال است.

برای بدست آوردن ولتاژ بزرگتر در پایانه های نیمه هادی، جهت میدان مغناطیسی باید نود درجه باشد.

سنسور اثر هال در گوشی های هوشمند

این سنسور در گوشی موبایل برای قفل و باز کردن قفل صفحه نمایش موبایل استفاده می شود.

سنسور هال از رابطه زیر برای کار در تلفن های همراه پیروی می کند.

VH = IB/nte

در این معادله VH ولتاژ هال است.

I جریان است.

B میدان مغناطیسی است.

n چگالی بارها است.

t ضخامت صفحه نمایش موبایل است.

e بار روی الکترون ها.

پوشش صفحه از آهنربایی تشکیل شده است که میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به دلیل آن جریان شروع به جاری شدن می کند و این جریان ولتاژ تولید می کند.

این ولتاژ تولید شده در گوشی برای عملکرد مدارهای مختلف و قفل و رفع انسداد صفحه نمایش استفاده می شود.

این سنسور را می توان به صورت ماژول یکپارچه نیز یافت.

 از این ماژول می توان برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی استفاده کرد. اگر میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، سیگنال با دامنه مناسبی را گزارش می کند. می توان از آن در بسیاری از کاربردها مانند سنسور RPM (برای شمارش تعداد دور شفت)، اندازه گیری سرعت و فاصله ربات، سوئیچ درب و سنسور موقعیت بازوی ربات استفاده کرد. به طور کلی، می توان از آن برای هر تشخیص میدان مغناطیسی استفاده کرد.

ویژگی های این ماژول:
سنسور هالS49E
دارای مقایسه کننده ولتاژ با دامنه گستردهLM393
حساسیت قابل تنظیم (پتانسیومتر)
نشانگر خروجی سیگنال
خروجی آنالوگ / دیجیتال
مشخصات فنی
ولتاژ: 2.3 ~ 5.3 ولت
ابعاد: 27.0mm * 15.5mm

برخی از مزایا و معایب اثر هال در گوشی ها وجود دارد که در اینجا توضیح داده شده است. 

مزایا:

این سنسور در گوشی با غیرفعال کردن خودکار صفحه نمایش، شارژ گوشی را ذخیره می کند.

قابل اعتماد است، ارزانتر است، می تواند در محدوده دمایی مختلف کار کند.

معایب:

با گذشت زمان صفحه تاچ گوشی به درستی کار نمی کند. این به دلیل آهنربایی است که با گذشت زمان قدرت مغناطیسی خود را از دست می دهد و نمی تواند ولتاژ کافی برای ایجاد یک اثر سالن هال کند.

از آنجایی که ولتاژ تولید شده توسط سنسورهای هال بسیار کوچک و تقریباً در حد چند میلی ولت است، برای تقویت این ولتاژها باید آمپلی فایر مخصوصی به آن متصل شود که گوشی را گران می کند.

مزایای سنسور اثر هال

این سنسور می تواند به عنوان یک سوئیچ الکتریکی عمل کند، قیمت آن نسبت به سوئیچ دستی کمتر است و بسیار قابل اعتماد است.

در فرکانس بالاتری نسبت به سوئیچ دستی کار می کند.

این سنسور را می توان در هر شرایط محیطی نصب کرد زیرا در یک قالب مهر و موم شده در پوشش ضد آب است.

این سنسورها را می توان برای محدوده های مختلف اندازه گیری میدان مغناطیسی استفاده کرد.

با تشخیص میدان، می تواند قطب شمال و جنوب آهنربا را نیز پیدا کند.

کاربردهای سنسور اثر هال

سنجش موقعیت

این سنسور می تواند به عنوان یک سنسور موقعیت عمل کند و مکان اشیاء مغناطیسی مختلف در صنایع را تشخیص می دهد.

همچنین در موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (brushless motor) برای تشخیص روتور و تغییر خودکار جهت حرکت آن استفاده می شود.

همچنین در تلفن های همراه برای قفل و باز کردن خودکار صفحه نمایش استفاده می شود.

ترانسفورماتور جریان DC:

همچنین در ترانسفورماتور برای تشخیص جریان مستقیم در ترانسفورماتور جریان استفاده می شود.

برای این منظور، بین هسته و سیم پیچ ترانسفورماتور نصب شده، تغییرات شار در هسته و سیم پیچ ها را توسط این جریان شار ذاندازه گیری کرده و محاسبه می کند.

نشانگر خودکار سطح سوخت:

این سنسورها در نشانگرهای مختلف سوخت استفاده می شوند. هدف اصلی این سنسورها تشخیص حرکت قطعه شناور در نشانگر سطح است.

دو روش برای انجام این سنجش وجود دارد، اولی با استفاده از آهنربای شناور عمودی و دومی سنسور سطح چرخنده است.

در نوع اول که سیستم شناور عمودی است بطور دائم با دستگاه شناور متصل می شود.

ماده رسانایی که جریان از آن عبور می کند با آهنربای میله ای دائمی در یک خط به مخزن متصل می شود.

با افزایش سطح سوخت، مقدار میدان مغناطیسی افزایش یافته و در خروجی سنسور به صورت ولتاژ نشان داده می شود.

سوئیچ صفحه کلید:

در سال 1960 Everett A. Vorthmann صفحه کلیدی را ساخت که از اثر هال پیروی می کرد.

آنها به دلیل قیمت بالایشان در بازار محبوبیت پیدا نکردند و برای مصارف خاصی استفاده می شدند.