یکی از اصطلاحاتی که در دنیای تجهیزات تبریدی، احتمالاً به دفعات به گوشتان خورده و اساس کار بسیاری از قطعات حیاتی چرخۀ تبرید سیستم‌های سرمایشی و تهویۀ مطبوع را شامل می‌شود، «اثر هال» است. در حقیقت، اثر هال اختلاف ولتاژی است که با قرار دادن قطعه‌ای نیمه رسانا در میدان مغناطیسی، در دو سر آن ایجاد می‌گردد.
در مطلبی که پیشِ رو دارید، تیم کارشناسان فروشگاه اینترنتی دکتر کول، به سوال «سنسور اثر هال چیست و چه کاربردهایی دارد؟» پاسخ داده‌اند و به زبانی ساده، شما عزیزان را با اساس کار سنسور اثر هال یا Hall Effect Sensor که سنسور میدان مغناطیسی نیز نامیده می‌شود، آشنا کرده‌‌اند.
اثر هال به زبانی ساده
تصور کنید جسم الکتریکی و رسانایی در برابرتان قرار دارد که جریان الکتریکی از میان آن عبور می‌کند. درصورتی که میدان مغناطیسی مشخصی به این رسانای الکتریکی اعمال شود، اختلاف ولتاژ معینی در دو سوی آن ایجاد می‌گردد.
از نظر علمی، به این اختلاف ولتاژ اثر هال (به انگلیسی: Hall Effect) گفته می‌شود که می‌توان آن را اندازهگیری نمود. با استفاده از اثر هال که یکی از قوانین پُراهمیت و کاربردی علم فیزیک به شمار می‌رود، حسگرها یا سنسورهایی تولید شده است که در بسیاری از لوازم الکتریکی کوچک و بزرگ و حتی قطعات جانبی مختلف کاربرد دارند که در ادامه بیشتر با جزئیات آنها و کاربردهایشان در صنعت آشنا خواهیم شد.
تاریخچه و نحوۀ کشف اثر هال
در سال ۱۸۷۹ میلادی، دکتر ادوین هال (به انگلیسی: Edwin Hall) زمانی که مشغول فعالیت روی رسالۀ دکترای خود در آزمایشگاه دانشگاه «جان هاپکینز» ایالات متحده بود، این پدیدۀ فیزیکی را کشف کرد.
این اتفاق که مربوط به ۱۸ سال پیش از کشف الکترون است، زمانی رخ داد که دکتر هال در آزمایشات خود متوجه آثار کوچکی شد که نتایج آزمایشات وی را به گونۀ دیگری تغییر می‌دادند. این نتایج که متعاقباً در مقاله‌ای با عنوان «اثرات آهنربا بر جریان الکتریکی» منتشر شدند، در حقیقت نشان از این داشتند که در فلزات، علامت‌های حامل بار، منفی هستند.
این بدان معناست که در فلزات، الکترون‌ها حاملین بار به شمار می‌روند. با پی بردن به این مسئله، دکتر هال دریافت که اندازۀ ولتاژ به مقدار جریان عبوری از جسم رسانا و چگالی شار مغناطیسی عمود بر صفحات آن در سیستم، ارتباط مستقیم دارد.
شاید امروزه کشف ماهیت مواد، در ظاهر امری کوچک تلقی شود؛ اما در آن دوره، کشف این پدیدۀ فیزیکی شاهکاری تجربی به حساب می‌آمد که کمک بسیاری به پیشرفت علم کرد.
تئوری اثر هال | عملکرد سنسور اثر هال
اثر هال، نتیجۀ طبیعی عبور جریان الکتریکی از اجسام رساناست. برای توضیح بیشتر این جمله، باید گفت که؛ با حرکت تعداد قابل توجهی از حاملین بارهای الکتریکی نظیر الکترون‌ها، حفره‌ها، یون‌ها یا ترکیبی از هر سۀ آنها، جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.
زمانی که صفحه‌ای رسانا با منبع تغذیه‌ای نظیر باتری به مدار متصل می‌شود و جریان بین ابتدا و انتهای صفحه برقرار می‌شود؛ حاملین بار، از یکی از دو انتهای صفحه به سوی دیگر آن (در مسیری خطی) حرکت می‌کنند.
حرکت خطی حاملین بار در این جسم، سبب ایجاد میدان‌های مغناطیسی مختلفی می‌شود. حال اگر یک آهنربا را در نزدیکی صفحه قرار دهیم، میدان مغناطیسی ایجادشده توسط حاملین بار، به‌شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرد و به دنبال آن جریان حرکت مستقیم آنها را برهم می‌زند. نام علمی نیرویی که جهت جریان حاملین بار را برهم می‌زند «نیروی لورنتس» یا «نیروی لورنتز» عنوان می‌شود.
به دلیل انحنای ایجادشده در میدان مغناطیسی حاملین بار، الکترون‌های دارای بار منفی به یک سوی صفحه و حفره‌هایی با بار مثبت به سوی دیگر آن منحرف می‌شوند و به دنبال آن اختلاف پتانسیلی که اصطلاحاً «ولتاژ هال» نامیده می‌شود، میان دو سوی صفحه ایجاد می‌گردد که قابل اندازهگیری نیز هست.
میدان الکتریکی یا میدان هال، در حقیقت نتیجۀ نیرویی است که میدان مغناطیسی به ذرات متحرک با بار مثبت یا منفی که در اصل جریان الکتریکی را شکل می‌دهند، وارد می‌آورد.
ویژگی‌های اثر هال یا Hall Effect (مزایا و معایب سنسور اثر هال)
اگر بخواهیم مهمترین مزایای اثر هال را یادآور شویم، می‌بایست به موارد زیر اشاره کنیم:
- اثر هال، میان حاملین مثبت که در یک جهت حرکت می‌کنند و حاملین منفی که در خلاف جهت آنها حرکت می‌کنند، تفاوت قائل می‌شود.
- اثر هال نشان می‌دهد که جریان الکتریکی در فلزات، توسط الکترون‌های در حال حرکت منتقل می‌شود.
- مطابق اثر هال، در برخی اجسام، خصوصاً مواد نیمه رسانا، بهتر است تا شارش جریان به جای الکترون‌های در حال حرکت به‌واسطه حرکت حفره‌های الکتریکی در نظر گرفته شود.
- دارا بودن حالت جامد، عمر مفید طولانی مدت، سرعت و محدودۀ پاسخ فرکانسی بالا نیز از دیگر ویژگی‌های سنسورهای اثر هال به شمار می‌روند.
- عمل با ورودی ثابت
- دارا بودن اجزای غیرمتحرک
- داشتن ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقی (Logic Compatible input and output)
- دارا بودن بازده دمایی بسیار گسترده (از ۴۰- درجه سانتی گراد تا ۱۵۰+ درجه سانتی گراد)
- وجود عملکرد تکرارپذیر بی‌نظیر (Highly Repeatable Operation)
باید توجه داشت که یک قطعه یا سیستم، هرقدر نیز که ویژگی‌های مثبت داشته باشد؛ اما معایبی را نیز در کنار آنها در دل خود جای داده است. اگر بخوایم دربارۀ معایب اثر هال صحبت کنیم، احتمالاً تنها موردی که به‌عنوان نقص در آن می‌توانیم عنوان کنیم این است که در سیستم‌های این چنینی، وجود چندین میدان مغناطیسی مختلف سبب می‌شود تا خطاهای اطلاعاتی بسیاری در سیستم رخ دهد.
سنسور اثر هال چیست؟
سنسور اثر هال یا حسگر اثر هال، یکی از انواع قطعات مغناطیسی است که در صورت قرار گرفتن در مجاورت میدان مغناطیسی، فعال شده و اطلاعات رمزگذاری‌شدۀ مغناطیسی نظیر؛ موقعیت، فاصله و سرعت را به شکلی تبدیل می‌کند تا مدارهای الکترونیکی امکان پردازش آنها را داشته باشند.
سنسورهای اثر هال، عموماً از قطعات نازک و مستطیلی شکل و p مانندی از جنس مواد نیمه رسانا همچون؛ آرسنید گالیم (GaAs)، آنتی مونید ایندیم (InSb) یا آرسنید ایندیم (InAs) تشکیل می‌شوند و جریان مداومی را از خود عبور می‌دهند.
در حقیقت، حسگر اثر هال مبدلی است که با نشان دادن خروجی ولتاژ و ایجاد ولتاژی جدید به‌واسطۀ قرار گرفتن در میدان‌های الکتریکی مختلف، در جهت پاسخ به تغییرات میدان مغناطیسی تولید شده است.
طراحی سنسورها و کلیدهای Hall Effect به‌گونه‌ای است که آنها در شرایطی که میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، در حالت خاموش (OFF) یا «حالت مدار باز» قرار می‌گیرند. و بالعکس، در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، روشن (ON) شده و در «وضعیت مدار بسته» قرار می‌گیرند.
لازم به ذکر است که، هرچند سنسورهای اثر هال از دقت مناسبی برخوردار می‌باشند؛ اما جهت ارتقأ حساسیت آنها و گرفتن خروجی مطلوب با بیشترین دقت و حداقل خطای ممکن، می‌بایست از تقویت‌کننده یا رگولاتور ولتاژ و مدارهای سوییچینگ منطقی استفاده فرمایید.
انواع سنسور اثر هال
به‌طور کلی، حسگرهای اثر هال بر اساس خروجی ولتاژ، به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند که در ادامه با هر یک از آنها آشنا خواهید شد؛ البته، شایان ذکر است که علاوه‌بر طبقه‌بندی سنسورهای اثر هال بر اساس خروجی ولتاژ در آنها، این حسگرها را می‌توانیم بر اساس نحوۀ عمکردشان نیز به چند دسته تقسیم‌بندی کنیم.
انواع سنسور اثر هال بر اساس خروجی ولتاژ در آنها
-
حسگرهای اثر حال با خروجی خطی یا آنالوگ
حسگرهای خطی که حسگرهای آنالوگ نیز نامیده می‌شوند، یکی از قدیمی‌ترین انواع سنسورهای اثر هال به شمار می‌روند. ولتاژ خروجی در این نوع از سنسورها، مستقیماً از خروجی تقویت‌کننده گرفته می‌شود که این مقدار با اندازۀ میدان مغناطیسی خارجیِ اعمال‌شده، متناسب می‌باشد.
کاربردهای سنسور اثر هال با خروجی خطی
از جملۀ مهمترین کاربردهای سنسورهای آنالوگ، می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم.
- استفاده در درایو دیسک
- کاربرد در درایو فرکانس متغیر
- جهت کنترل حفاظت موتور
- برای مشاهدۀ جریان
- در جایگاه حفاظت منبع تغذیه
- به‌منظور اندازهگیری موقعیت مکانی
- به جای دیافراگم فشار
- به‌عنوان پتانسیومترهای غیرتماسی
- در جایگاه سوییچ‌های انکودر
-
حسگرهای اثر هال با خروجی دیجیتال
این نوع از حسگرها، دارای مدار مقایسه‌کنندۀ تریگر اشمیت (schmitt-trigger) هستند که بر اساس حلقۀ هیسترزیس، تولید و به تقویت‌کننده متصل شده است. خروجی این نوع از سنسورهای اثر هال، تنها دو وضعیت روشن (ON) و خاموش (OFF) را پوشش‌دهی می‌کند.
در صورتی که جریان مغناطیسی با اندازه‌ای بزرگتر از عدد مرجع و مقداری که برای آن تعریف شده است، از حسگر اثر هال عبور کند، خروجی سریعاً از وضعیت خاموش به روشن تغییر حالت می‌دهد.
کاربردهای حسگر با خروجی دیجیتال
کاربردهای سنسورهای دیجیتال اثر هال را می‌توانیم بدین ترتیب تعریف کنیم:
- کنترل موتور جهت تشخیص سرعت
- اندازهگیری زمان در تجهیزات عکاسی
- سنجش زمان احتراق
- به‌عنوان حسگر مکان
- شمارندۀ پالس در انواع چاپ‌گر و درایو موتور
- در ساختار اهرمک (یکی از ابزارهای شخصی یارانه‌ای) که جوی‌استیک (Joy Stick) نیز نامیده می‌شود.
- جهت قفل شدن در
- مشاهدۀ جریان در سیستم موتور
انواع سنسور اثر هال بر اساس نحوۀ عملکرد در آنها
حسگرهای اثر هال دوقطبی (Bipolar)
این نوع از سنسورهای اثر هال از دستۀ دیجیتال بوده که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی مثبت و منفی فعال شده و کار خود را به انجام می‌رسانند. در این قطعه، سوئیچ ویژه‌ای وجود دارد که با استفاده از سنسور اثر هال دوقطبی، به همان روش سوئیچ سنتی، فعال می‌گردد. از ویژگی‌های مثبت این قطعه، می‌توانیم به بی‌نیازی آن به تماس فیزیکی و دوام بالای آن در محیط‌های ناهموار اشاره کنیم.
حسگرهای اثر هال تک قطبی (Unipolar)
برخلاف سنسورهای اثر هال دو قطبی، این نوع از حسگرها تنها توسط یکی از دو قطب آهنربا فعال می‌شوند. به‌کار‌گیری حسگر تک قطبی که از انواع دیجیتال سنسورهای اثر هال است، دسترسی به تنظیمات ویژه را در یک سوئیچ برای کاربران فراهم آورده و به‌آسانی و تنها با قرار گرفتن در معرض یک قطب مغناطیسی خاص، فعال می‌شود.
حسگرهای اثر هال زاویه ای
حسگرهای زاویه‌ای جزء پیشرفته‌ترین سنسورهای اثر هال به شمار می‌روند که منهای قطب‌ها، بر سایر اجزای میدان مغناطیسی تمرکز دارند. برای مثال، حسگرهایی نظیر؛ سنسورهای زاویۀ مستقیم، سینوس و کسینوس و بخش‌هایی از میدان مغناطیسی را سنجش و اندازهگیری می‌کنند.
این در حالی است که سنسورهای زاویۀ عمودی، سایر اجزای میدان مغناطیسی را که عمود بر سطح تراشه قرار گرفته‌اند، تجزیه و تحلیل می‌کنند.
کاربردهای اثر هال
به‌طور کلی، انواع مختلف سنسورهای اثر هال در بسیاری از ابزارهای اندازهگیری و به‌منظورهای متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، برخی از مهمترین کاربردهای حسگر اثر هال را با یکدیگر از نظر خواهیم گذراند.
- استفاده در حسگرهای دما، فشار و جریان
- فراهم آوردن قابلیت اندازهگیری میدان‌های مغناطیسی
- جهت اندازهگیری جریان مستقیم
- برای سنجش زاویۀ فاز
- کاربرد در آشکارسازهای مجاورت
- برای مبدل‌های جابه‌جایی خطی یا زاویه‌ای
- استفاده در سیستم‌های ترمز ضدقفل
- جهت تشخیص سرعت چرخ در اتومبیل
- به‌عنوان سنسور صندلی و تشخیص موقعیت کمربند ایمنی جهت کنترل کیسۀ هوا (توسط حسگر اثر هال دیجیتال)
- به‌منظور تعیین موقعیت زاویۀ میل‌لنگ برای تنظیم زاویۀ شلیک شمع‌ها در خودرو (به‌وسیلۀ حسگر اثر هال دیجیتال)
- برای نظارت و کنترل سرعت چرخ در سیستم‌های ترمز ضدقفل (ABS) (به‌واسطۀ سنسور اثر هال آنالوگ)
- در فرایند تنظیم ولتاژ سیستم‌های الکتریکی (توسط حسگر اثر هال آنالوگ)
- کمک به حفظ تعادل ماشین لباسشویی در طول انجام شست‌وشو (به‌وسیلۀ سنسورهای تک قطبی دیجیتال)
- کارکرد به‌عنوان سنسورهای در دسترس برای منبع تغذیه، نشانگر کنترل موتور، خاموش شدن ابزارهای برقی و سنسورهای تغذیه کاغذ در دستگاه‌های کپی (سنسورهای آنالوگ)
- جهت کنترل مایعات در فرایندهایی نظیر؛ نظارت بر میزان جریان و موقعیت شیر برای تولید، تأمین آب، تصفیه و همچنین عملیات پالایش نفت و گاز (سنسورهای دیجیتال اثر هال)
- به‌منظور تشخیص سطح فشار دیافراگم در فشارسنج‌های دیافراگمی (سنسورهای اثر هال آنالوگ)
- کاربرد در عملیات اتوماسیون ساختمان (سنسورهای اثر هال دیجیتال و آنالوگ)
- در انجام مکانیسم شست‌وشوی اتوماتیک توالت
- در ساختار خشک‌کن‌های دستی و اتوماتیک
- به‌عنوان عضوی کاربردی و ویژه در سیستم‌های امنیتی ساختمان و انواع در
- استفاده در آسانسورها
- در داخل دوربین‌های سنجش حرکت
- در انواع برنامه‌های الکترونیکی
- در جایگاه بخشی از دستگاه‌های کنترل موتور
- استفاده در مکانیسم‌های زمان‌بندی موجود در تجهیزات عکاسی
- در درایوهای دیسک
- به‌عنوان محافظ‌های منبع تغذیه
- در جایگاه جایگزینی برای سنسورهای نوری در محیط‌هایی نظیر صنایع خودروسازی که دارای آلاینده‌هایی همچون آب، ارتعاشات، روغن و غیره می‌باشند.
- استفاده به‌عنوان سیستم اندازهگیری جریان عبوری از اجسام رسانا
- جهت تشخیص قطعات آهنی و فولادی
