Hall Etkisi Sensörü

Bu yazımızda hall etkisi sensörünü göreceğiz. Manyetik sensörler, elektronik devreler tarafından işlenmek üzere manyetik olarak kodlanmış bilgileri elektrik sinyallerine dönüştürür. Manyetik sensörler, konum, hız veya yön hareketi gibi birçok farklı uygulamada kullanılabildikleri için giderek daha popüler hale gelen katı hal cihazlarıdır. Ayrıca temassız, aşınmasız çalışmaları, az bakım gerektirmeleri, sağlam tasarımları ve sızdırmaz salon etkisi cihazlarının titreşime, toza ve suya karşı bağışık olması nedeniyle elektronik tasarımcıları için popüler bir sensör seçimidir.

Manyetik sensörlerin ana kullanımlarından biri, konum, mesafe ve hızın algılanması için otomotiv sistemlerindedir. Örneğin, bujilerin ateşleme açısı için krank milinin açısal konumu, hava yastığı kontrolü için araba koltuklarının ve emniyet kemerlerinin konumu veya kilitlenme önleyici fren sistemi (ABS) için tekerlek hız algılaması vb.

Manyetik sensörler, çeşitli farklı uygulamalarda çok çeşitli pozitif ve negatif manyetik alanlara yanıt vermek üzere tasarlanmıştır. Çıkış sinyali etrafındaki manyetik alan yoğunluğunun bir fonksiyonu olan bir tür mıknatıs sensörüne Hall Etkisi Sensörü adı verilir.

Hall Etkisi Sensörleri, harici bir manyetik alan tarafından etkinleştirilen cihazlardır. Bir manyetik alanın akı yoğunluğu (B) ve polarite (Kuzey ve Güney Kutupları) olmak üzere iki önemli özelliği olduğunu biliyoruz. Hall etkisi sensöründen gelen çıkış sinyali, cihazın etrafındaki manyetik alan yoğunluğunun fonksiyonudur. Sensör etrafındaki manyetik akı yoğunluğu önceden ayarlanmış belirli bir eşiği aştığında, sensör bunu algılar ve Hall Voltajı, VH adı verilen bir çıkış voltajı üretir.

Hall Etkisi Sensör Prensipleri

Hall Etkisi Sensörü
Hall Etkisi Sensör Prensipleri

Hall Etkisi Sensörleri temel olarak galyum arsenit (GaAs), indiyum antimonit (InSb) veya indiyum arsenit (InAs) gibi ince bir dikdörtgen p-tipi yarı iletken malzeme parçasından oluşur. Kendi içinden sürekli bir akım geçirir. Cihaz bir manyetik alan içine yerleştirildiğinde, manyetik akı çizgileri yarı iletken malzeme üzerinde yük taşıyıcıları, elektronları ve delikleri yarı iletken levhanın her iki tarafına saptıran bir kuvvet uygular. Yük taşıyıcıların bu hareketi, yarı iletken malzemeden geçerken yaşadıkları manyetik kuvvetin bir sonucudur.

Bu elektronlar ve delikler yana doğru hareket ettikçe, bu yük taşıyıcıların birikmesiyle yarı iletken malzemenin iki tarafı arasında bir potansiyel farkı üretilir. Daha sonra elektronların yarı iletken malzeme içindeki hareketi, kendisine dik açı yapan bir harici manyetik alanın varlığından etkilenir ve bu etki düz dikdörtgen şekilli bir malzemede daha fazladır.

Bir manyetik alan kullanarak ölçülebilir bir voltaj üretme etkisine, Hall etkisinin altında yatan temel fiziksel ilkenin Lorentz kuvveti olmasıyla 1870’lerde keşfeden Edwin Hall’dan sonra Hall Etkisi denir. Cihaz boyunca potansiyel bir fark yaratmak için, manyetik akı çizgileri, akımın akışına dik (90o) ve doğru polaritede, genellikle bir güney kutbunda olmalıdır.

Hall etkisi, manyetik kutbun tipi ve manyetik alanın büyüklüğü hakkında bilgi sağlar. Örneğin, bir güney kutbu, cihazın bir voltaj çıkışı üretmesine neden olurken, bir kuzey kutbunun hiçbir etkisi olmaz. Genel olarak Hall Etkisi sensörleri ve anahtarları, manyetik alan olmadığında “KAPALI” (açık devre durumu) olacak şekilde tasarlanmıştır. Sadece yeterli güç ve polariteye sahip bir manyetik alana maruz kaldıklarında “AÇIK” (kapalı devre durumu) durumuna geçerler.

Hall Etkisi Manyetik Sensör

Temel Hall Elemanının Hall voltajı (VH) olarak adlandırılan çıkış voltajı, yarı iletken malzemeden geçen manyetik alanın gücüyle (çıkış ∝ H) doğru orantılıdır. Bu çıkış voltajı oldukça küçük olabilir, güçlü manyetik alanlara maruz kaldığında bile sadece birkaç mikrovolt olabilir, bu nedenle piyasada bulunan Hall efekt cihazlarının çoğu, sensör hassasiyetini, histerezini ve çıkışını iyileştirmek için dahili DC yükselticiler, mantık anahtarlama devreleri ve voltaj regülatörleri ile üretilir. Gerilim. Bu ayrıca Hall etkisi sensörünün daha geniş bir güç kaynağı ve manyetik alan koşulları aralığında çalışmasına izin verir.

Hall Etkisi Sensörü

Hall Etkisi Sensörü
Hall Etkisi Sensörü

Hall Etkisi Sensörleri, lineer veya dijital çıkışlarla mevcuttur. Lineer (analog) sensörler için çıkış sinyali, çıkış voltajı Hall sensöründen geçen manyetik alanla doğru orantılı olarak, işlemsel yükselticinin çıkışından doğrudan alınır. Bu çıkış Hall voltajı şu şekilde verilir:

Hall Etkisi Sensörü

Doğrusal veya analog sensörler, güçlü bir manyetik alanla artan ve zayıf bir manyetik alanla azalan sürekli bir voltaj çıkışı verir. Lineer çıkışlı Hall etkisi sensörlerinde, manyetik alanın gücü arttıkça, amplifikatörden gelen çıkış sinyali de güç kaynağı tarafından kendisine uygulanan sınırlarla doymaya başlayana kadar artacaktır. Manyetik alandaki herhangi bir ek artış, çıktı üzerinde hiçbir etkiye sahip olmayacak, ancak onu daha fazla doygunluğa sürükleyecektir.

Dijital çıkış sensörleri ise op-amp’e bağlı yerleşik histerezisli bir Schmitt tetikleyiciye sahiptir. Hall sensöründen geçen manyetik akı önceden ayarlanmış bir değeri aştığında, cihazdan gelen çıkış, herhangi bir temas sıçraması olmaksızın “KAPALI” durumu arasında “AÇIK” durumuna hızla geçiş yapar. Bu yerleşik histerezis, sensör manyetik alana girip çıkarken çıkış sinyalinin herhangi bir salınımını ortadan kaldırır. Ardından dijital çıkış sensörlerinin yalnızca iki durumu vardır, “AÇIK” ve “KAPALI”.

İki temel dijital Hall efekt sensörü türü vardır, Bipolar ve Unipolar. Bipolar sensörler, onları çalıştırmak için pozitif bir manyetik alan (güney kutbu) ve onları serbest bırakmak için bir negatif alan (kuzey kutbu) gerektirirken, tek kutuplu sensörler, manyetik alana girip çıktıkça onları hem çalıştırmak hem de serbest bırakmak için yalnızca tek bir manyetik güney kutbu gerektirir. tarla.

Çoğu Hall etkisi cihazı, çıkış sürücü yetenekleri 10 ila 20mA civarında çok küçük olduğundan büyük elektrik yüklerini doğrudan değiştiremez. Büyük akım yükleri için çıkışa bir açık kollektör (akım çöken) NPN Transistör eklenir.

Bu transistör, uygulanan akı yoğunluğu “AÇIK” ön ayar noktasından daha yüksek olduğunda çıkış terminalini toprağa kısa devre yapan bir NPN alıcı anahtarı olarak doymuş bölgesinde çalışır.

Çıkış anahtarlama transistörü, açık emitör transistör, açık kollektör transistör konfigürasyonu veya her ikisi de röleler, motorlar, LED’ler ve lambalar dahil olmak üzere birçok yükü doğrudan sürmek için yeterli akımı alabilen bir itme-çekme çıkış tipi konfigürasyonu sağlayabilir.

Hall Etkisi Uygulamaları

Hall etkisi sensörleri bir manyetik alan tarafından etkinleştirilir ve birçok uygulamada cihaz, hareketli bir şafta veya cihaza bağlı tek bir kalıcı mıknatıs tarafından çalıştırılabilir. “Head-on”, “Sideways”, “Push-pull” veya “Push-push” vb algılama hareketleri gibi birçok farklı mıknatıs hareketi türü vardır. Her türlü konfigürasyonun kullanıldığı, maksimum hassasiyeti sağlamak için manyetik akı çizgileri daima cihazın algılama alanına dik olmalı ve doğru polaritede olmalıdır.

Ayrıca doğrusallığı sağlamak için, gerekli hareket için alan kuvvetinde büyük bir değişiklik üreten yüksek alan kuvvetli mıknatıslar gereklidir. Bir manyetik alanı algılamak için birkaç olası hareket yolu vardır ve aşağıda tek bir mıknatıs kullanan daha yaygın iki algılama yapılandırması vardır: Baştan Algılama ve Yan Algılama.

Doğrudan Tespit

Hall Etkisi Sensörü
Doğrudan Tespit

Adından da anlaşılacağı gibi, “kafaya algılama”, manyetik alanın hall etkisi algılama cihazına dik olmasını ve algılama için sensöre doğrudan aktif yüze doğru yaklaşmasını gerektirir. Bir tür “kafaya” yaklaşım.

Bu kafa kafaya yaklaşım, lineer cihazlarda manyetik alanın gücünü, manyetik akı yoğunluğunu, hall etkisi sensöründen uzaklığın bir fonksiyonu olarak temsil eden bir çıkış sinyali, VH üretir. Manyetik alan ne kadar yakın ve dolayısıyla o kadar güçlü olursa, çıkış voltajı o kadar büyük olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Doğrusal cihazlar ayrıca pozitif ve negatif manyetik alanlar arasında ayrım yapabilir. Konumsal algılamayı göstermek için mıknatıstan uzakta önceden ayarlanmış bir hava boşluğu mesafesinde “AÇIK” çıkışı tetiklemek için doğrusal olmayan cihazlar yapılabilir.

Yan Algılama

İkinci algılama konfigürasyonu “yan algılama”dır. Bu, mıknatısın Hall efekt elemanının yüzü boyunca yanlara doğru hareket ettirilmesini gerektirir.

Yanal veya kayan algılama, örneğin dönen mıknatısları veya motorların dönüş hızını saymak gibi, Hall elemanının yüzü boyunca sabit bir hava boşluğu mesafesi içinde hareket ederken bir manyetik alanın varlığını algılamak için kullanışlıdır.

Sensörün sıfır alan merkez hattından geçerken manyetik alanın konumuna bağlı olarak, hem pozitif hem de negatif çıkışı temsil eden doğrusal bir çıkış voltajı üretilebilir. Bu, hem dikey hem de yatay olabilen yönlü hareket algılamasına izin verir.

Hall Etkisi Sensörlerinin özellikle yakınlık sensörleri olarak birçok farklı uygulaması bulunmaktadır. Otomotiv uygulamalarında olduğu gibi su, titreşim, kir veya yağdan oluşan ortam koşullarında optik ve ışık sensörleri yerine kullanılabilirler. Hall efekti cihazları da akım algılama için kullanılabilir.

Önceki derslerden biliyoruz ki bir iletkenden akım geçtiğinde, çevresinde dairesel bir elektromanyetik alan üretilir. Hall sensörünü iletkenin yanına yerleştirerek, büyük veya pahalı transformatörlere ve bobinlere ihtiyaç duymadan üretilen manyetik alandan birkaç miliamperden binlerce ampere elektrik akımları ölçülebilir.

Hall etkisi sensörleri, mıknatısların ve manyetik alanların varlığını veya yokluğunu algılamanın yanı sıra, cihazın aktif alanının arkasına küçük bir kalıcı “önyargılı” mıknatıs yerleştirerek demir ve çelik gibi ferromanyetik malzemeleri algılamak için de kullanılabilir. Sensör artık kalıcı ve statik bir manyetik alan içinde yer alır ve demirli bir malzemenin eklenmesiyle bu manyetik alanda meydana gelen herhangi bir değişiklik veya bozulma, mV/G’nin mümkün olduğu kadar düşük hassasiyetlerle algılanacaktır.

Dijital veya lineer cihaz tipine bağlı olarak Hall etkisi sensörlerini elektrik ve elektronik devrelere bağlamanın birçok farklı yolu vardır. Çok basit ve yapımı kolay bir örnek, aşağıda gösterildiği gibi bir Işık Yayan Diyot kullanmaktır.

Konumsal Dedektör

Hall Etkisi Sensörü
Konumsal Dedektör

Bu kafa kafaya konumsal dedektör, manyetik alan olmadığında (0 gauss) “KAPALI” olacaktır. Kalıcı mıknatıslar güney kutbu (pozitif gauss), Hall etkisi sensörünün aktif alanına doğru dikey olarak hareket ettirildiğinde, cihaz “AÇIK” duruma gelir ve LED’i yakar. “AÇIK” konuma getirildiğinde, Hall efekt sensörü “AÇIK” olarak kalır.

Cihazı ve dolayısıyla LED’i “KAPALI” duruma getirmek için manyetik alan, tek kutuplu sensörler için serbest bırakma noktasının altına düşürülmeli veya iki kutuplu sensörler için manyetik kuzey kutbuna (negatif gauss) maruz bırakılmalıdır. Daha büyük akım yüklerini değiştirmek için Hall Etkisi Sensörünün çıkışı gerekiyorsa, LED daha büyük bir güç transistörü ile değiştirilebilir.