سنسور اثر هال و کاربردهای آن:

اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin   Hall) درسال ۱۸۷۹ در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns  Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود. هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید. او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود ۷۰ سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد. با ورود مواد نیمه هادی در دهه ۱۹۵۰ اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال ۱۹۶۵ Joe  Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.

ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند:

۱٫      حالت جامد ؛

۲٫       عمر طولانی ؛

۳٫       عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای ۱۰۰KHZ ؛

۴٫       عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛

۵٫       اجزای غیر متحرک ؛

۶٫       ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic  Compatible  input and output ؛

۷٫        بازه  دمایی گسترده  (-۴۰°C ~ +۱۵۰°C) ؛

۸٫        عملکرد تکرار پذیرعالی Highly  Repeatable  Operation ؛

۹٫       یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم رخ دهد .

اساس کار حسگرهای اثر هال

یک حسگر اثر هال مبدلی است که در پاسخ به تغییرات میدان مغناطیسی خروجی ولتاژ نشان می‌دهد.با اعمال میدان‌های مغناطیسی نسبتا بزرگ ولتاژ خروجی در محدودهٔ چند میکروولت می‌باشد . برای ارتقا حساسیت حسگر و گرفتن خروجی مطلوب با بیشترین دقت و با حداقل خطای هیسترزیس باید از تقویت کننده، رگولاتور ولتاژ و مدارهای سوییچینگ منطقی استفاده کرد.

حسگرهای اثر هال به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند:

۱.حسگرهای خطی یا آنالوگ

ولتاژ خروجی این نوع حسگر مستقیما از خروجی تقویت کننده گرفته می‌شود که متناسب است با اندازه میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده.

طبق رابطه (VH=RH (I B t که در آن :

• VHولتاژ هال بر حسب ولت می‌باشد.
• RHضریب اثر هال می‌باشد.
• I جریان الکتریکی عبوری از حسگر بر حسب آمپر می‌باشد.
• t ضخامت صفحه حسگر بر حسب میلیمتر می‌باشد.
• B چگالی شار میدان مغناطیسی بر حسب تسلا می‌باشد.

میدان مغناطیسی احساس شده می‌تواند مثبت یا منفی باشد و از آنجاییکه خروجی تقویت کننده‌ها نیز می‌تواند مثبت یا منفی باشد باید منبع ولتاژ مثبت و منفی در اختیار داشته باشیم. برای پرهیز از دو منبع ولتاژ جداگانه بهتر است که از تقویت کنندهٔ تفاضلی با آفست معین استفاده شود. هنگامیکه میدان مغناطیسی اعمال نشود مقدار آفست در خروجی ظاهر می‌شود .اگر میدان مغناطیسی مثبت وجود داشته باشد مقدار نشان داده شده بزرگتر از آفست و اگر میدان مغناطیسی اعمالی منفی باشد خروجی مقداری مثبت و کمتر از آفست خواهد بود.

شکل خروجی تقویت کننده نمی‌تواند از حدود اشباع خارج شود.باید خاطر نشان شد که در صورت اعمال میدان مغناطیسی بسیار بزرگ مثبت یا منفی حسگر اثر هال آسیب ندیده و تقویت کننده به اشباع می‌رود.

حسگرهای دارای خروجی آنالوگ ولتاژ خروجی پیوسته‌ای را نمایش می‌دهند که متناسب با اندازه میدان مغناطیسی تا محدودهٔ اشباع تغییر می‌کند. محدوده‌های عملکرد این نوع سنسورها می‌تواند ۴٫۵ تا ۱۰٫۵ ولت،۴٫۵ تا ۱۲ ولت و یا ۶٫۶ تا ۱۲٫۶ ولت باشد.

۲.حسگرهای اثر هال با خروجی دیجیتال

این نوع حسگرها دارای schmitt-trigger هستند که بر اساس حلقه هیسترزیس ساخته شده‌است و به تقویت کننده متصل می‌شود.خروجی آنها تنها دو وضعیت روشن (ON ) و خاموش (OFF) را پوشش می‌دهد.در صورتی که شار مغناطیسی با اندازه بزرگتر از یک مقدار مرجع از عنصر هال عبور کند خروجی سریعا از حالت خاموش (OFF) به حالت روشن (ON )تغییر وضعیت می‌دهد. (شایان ذکر است که مقدار مرجع توسط کارخانه سازنده حسگر معین می‌گردد.) و در صورتی که شار مغناطیسی کمتر از مقدار مرجع شود خروجی به حالت OFF میرود.

دو نوع حسگر اثر هال با خروجی دیجیتال وجود دارد : دو قطبی و تک قطبی.

حسگرهای دوقطبی برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از OFF به ON به میدان مغناطیسی مثبت نیازدارند و برای تشخیص عدم وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از حالت ON به OFF به میدان مغناطیسی منفی احتیاج دارد. در حالیکه حسگرهای تک قطبی برای تشخیص وجود و عدم وجود میدان مغناطیسی از میدان مثبت استفاده می‌کند.

کاربردهای حسگر اثر هال

کاربردهای حسگر با خروجی دیجیتال:

۱-کنترل موتور(تشخیص سرعت )۲-تجهیزات عکاسی (اندازه گیری زمان)۳-زمان احتراق۴-حسگر مکان۵-شمارنده پالس (چاپگر و درایو موتور)۶-حسگرتعیین مکان ساقه شیر۷-قفل شدن در۸-مشاهده جریان (سیستم موتور)۹-اندازه گیری سرعت چرخش۱۰-اندازه گیری فلو۱۱-رله۱۲-آشکارسازهای نزدیکی۱۳-امنیتی (کارت‌های مغناطیسی )۱۴-ماشین‌های بانکی (گوینده اتوماتیکی)۱۵-ارتباطات راه دور۱۶-فشارسنج‌ها۱۷-سوییچ‌های محدود کننده۱۸-سنسور تعیین مکان لنز۱۹-تست تجهیزات۲۰-سنسور تعیین مکان شفت۲۱-دستگاه‌های سکه‌ای

کاربردهای سنسور با خروجی خطی :

۱-مشاهده جریان۲-درایو دیسک۳-درایو فرکانس متغیر۴-کنترل حفاظت موتور۵-حفاظت منبع تغذیه۶-اندازه گیری مکان۷-دیافراگم فشار۸-پتانسیومترهای غیر تماسی۹-سوییچ‌های انکودر۱۰-انکودرهای چرخشی۱۱-تنظیم کننده ولتاژ۱۲-ردیاب فلزات آهن دار۱۳در زیر به توضیح چند یک از کاربردهای ذکر شده در بالا می‌پردازیم

بستن در(door interlock ) و زمان احتراق :

در این روش سنسور طوری قرار می‌گیرد که زمانی که کلید داخل قفل قرار می‌گیرد باعث می‌شود میدان مغناطیسی بچرخد.از مزایای این روش یخ، آب و دیگر مشکلاتی که مخالف شرایط طبیعی هستند حذف شده‌اند.

این روش همچنین به عنوان قفل الکتریکی می‌تواند به کار رود.

حسگر RPM :

حسگر RPM یکی ازعمومی‌ترین کاربردها برای حسگر اثر هال است.

شار مغناطیسی مورد نیاز برای عملکرد حسگر می‌تواند با آهن ربای جدا که بر روی شفت یا چرخ تصب شده‌است یا به وسیله حلقه مغناطیسی تامین شود.

حسگر دما و فشار :

حسگربا خروجی خطی این امکان را می‌دهد که پارامترهای دیگری به جز مکان و جریان را اندازه گرفت.

زمانی که سنسور خطی با نیروی مغناطیسی ترکیب می‌شود می‌تواند برای اندازه گیری دما یا فشار به کار رود.

در اندازه گیری فشار قسمت مغناطیسی به قسمت فانوس(bellows) متصل شده‌است. هنگامی که بلو منبسط یا منقبض می‌شود قسمت مغناطیسی حرکت می‌کند. اگر سنسور در نزدیکی قسمت مغناطیسی قرار گرفته باشد ولتاژ خروجی متناسب با فشار ورودی می‌توان به دست آورد.

طرز کار اندازه گیری دما نیز مشابه فشار است به غیر از اینکه گازبا انبساط حرارتی مشخصی در قسمت بلو قرار گرفته‌است و هنگامی که محفظه گرم می‌شود و گاز منبسط می‌شود و باعث ایجاد ولتاژی که متناسب با دما برای سنسور می‌کند.

کارت خوان مغناطیسی :

سیستم امنیتی قفل در می‌تواند با با استفاده از سنسور خروجی خطی ι کارت‌های مغناطیسی و مدارات میکروپروسسورهای خطی مانند شکل زیر طراحی شود.

در این مثال با لغزش کارت خروجی سنسور تغییر می‌کند. این سیگنال آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شود تا برای عملکرد رله مناسب باشد.زمانی که پالسی به رله‌های سلنوئیدی می‌رسد در باز می‌شود.

حسگر اتومبیل:

در شکل زیر بسیاری از جاهایی که حسگر اثر هال می‌تواند به کار رود مانند مانیتورینگ ι تعین مکان یا وسایل فیدبک امنیتی برای صنعت خودروسازی به کار رود.

هر دو سنسور خروجی خطی و دیجیتال در این کاربردها استفاده می‌شود مانند اندازه گیری فلو حسگر جریان٬حسگر مکان٬قفل در ٬حسگر فشار٬حسگرRPM و غیره.

موتور سه فاز براشلس سه فاز بوسیله سنسور اثر هال:

موتورهای سه فاز براشلس برای تعیین موقعیت روتور به سه سنسور اثر هال نیاز دارند بر اساس موقعیت فیزیمی سنسور های اثر هال دو تیپ خروجی وجود دارد پرش ۶۰ درجه ای فاز و پرش ۱۲۰ درجه فاز ترکیب این سه سنسور هال می تواند سکانس های اضافی مربوطه را تعیین کند

شکل زیر سکانس های متغیر مدار درایور موتور براشلس سه فاز که به طور پاد ساعتگرد در حال چرخش است را نشان می دهد سه سنسور هال a b  و c به فواصل ۱۲۰ درجه روی استاتور قرار داده شده اند به طوریکه سه فاز ( سیم پیچ ها ) به حالت ستاره (Y) به یکدیگر متصل شده اند برای هر دوران ۶۰ درجه یکی از سنسورهای هال تغییر سطح ولتاژ می دهد یک سیکل کامل دارای ۶ مرحله می باشد به طور هماهنگ هر ۶۰ درجه سوئیچ جریان فاز با توجه به موقعیت تغییر می کند برای هر مرحله یکی از پایه ها در ولتاژ HIGH و یکی در LOW و سومی به حالت معلق متمایل به LOW قرار دارد

کنترل درایور های منحصر به فرد هر درایور HIGH  و LOW باعث درایو LOW  و درایو HIGH  و درایو شناور در هر پایه موتور می باشد با این حال ممکن است یک سیکل سیگنال مطابق یک دور کامل مکانیکی موتور نباشد بنابراین تعداد سیکل سیگنال برابر تعداد جفت قطب های روتور می باشد

شکل زیر دیاگرام زمانی که سه سیم پیچ U V W ( دوتا دارای انرژی و یکی شناور بر اساس سیگنال سنسور هال a b c  ) را نشان میدهد . این یک نمونه از سیگنال سنسور هال دارای شیفت فازی ۱۲۰ درجه نسبت به هم برای چرخش پادساعتگرد موتور می باشد ایجاد یک موتور ساعتگرد یا با شیفت فازی ۶۰ درجه سنسورهای هال نیازمند سکانس های زمانی متفاوتی هست برای سرعت متفاوت از سیگنال PWM روی سوئیچ ها با فرکانس خیلی بالاتر از فرکانس چرخش موتور استفاده می کنیم معمولا باید فرکانس PWM حداقل ۱۰ برابر بیشتر از بیشترین حد فرکانس چرخش موتور باشد

مزیت دیگر PWM  این است که اگر ولتاژ گذرگاه DC  خیلی بیشتر از ولتاژ مجاز موتور باشد می توان با تعیین حدود چرخه کار PWM موتور را با ولتاژ مجاز خودش کنترل کرد