חיישן אפקט הול
חיישני אפקט הול מזהים את עוצמת השדה המגנטי והכיוון של מגנט קבוע או אלקטרומגנט. פלט חיישן אפקט ההול הוא פונקציה של השדה המגנטי שלו ויכול לזהות שדות מגנטיים חיוביים ושליליים.
עקרון העבודה של חיישן אפקט הול
שדה מגנטי חיצוני מפעיל חיישני אפקט הול. שדות מגנטיים מיוצגים בצפיפות השטף (B) ועל ידי הקטבים המגנטיים שלו, כגון קוטב צפוני או קוטב דרומי. המגנטיות סביב חיישן אפקט האולם קובעת את אות המוצא שלו. כאשר צפיפות השטף המגנטי הסביבתי עולה על ערך סף שנקבע מראש, החיישן מייצר מתח Hall, VH.
חיישני מוליכים למחצה הם מוליכים למחצה מסוג p כגון גליום ארסניד (GaAs), אינדיום ארסניד (InAs) ואינדיום אנטימוניד (InSb) המוליכים זרם ישר. החומר המוליך למחצה חווה כוח בנוכחות שדה מגנטי, הגורם לשני האלקטרונים וגם לחורים לעבור לצדדים של שכבת המוליכים למחצה. כאשר אלקטרונים וחורים נעים לשני הצדדים, נוצר הבדל פוטנציאל בין הצדדים השונים של המוליכים למחצה. בחומרים מלבניים שטוחים, לשדה מגנטי חיצוני הניצב לחומר המוליך למחצה יש השפעה רבה יותר על ניידות האלקטרונים.
אפקט האולם מציג את סוג הקוטב המגנטי וחוזק השדה שלו. לדוגמה, יש מתח באחד מהקטבים של המגנט, אבל לא באחד השני. חיישני אפקט הול בדרך כלל 'כבויים' ופועלים כמו מעגל פתוח כאשר אין שדה מגנטי. הם סגורים רק תחת שדה מגנטי מקוטב חזק (מעגל סגור).
מאפייני חיישן מגנטי של אפקט הול
מתח האולם (V ח ) של חיישן אפקט ההול הוא פונקציה של עוצמת השדה המגנטי שלו (H). רוב מכשירי אפקט ההול המסחריים כוללים מגברי DC, מעגלי לוגיקה מיתוג, ווסת מתח בהם כדי לשפר את רגישות החיישנים ואת מתחי המוצא. זה מאפשר לחיישן אפקט האולם להתמודד עם יותר כוח ושדות מגנטיים.
תרשים מעגל חיישן מגנטי של אפקט הול
לחיישנים החצי פעילים יש יציאות ליניאריות או דיגיטליות. מתח המוצא של החיישן הליניארי מתייחס ישירות לשדה המגנטי הזורם דרך חיישן האולם ומופק על ידי מגבר תפעולי.
משוואת מתח אפקט הול
משוואת מתח המוצא ניתנת על ידי:
הנה, V ח מציין את מתח האולם, R ח מציין את מקדם אפקט ההול, אני מציין את הזרם, t מציין את העובי ו-B מייצג את צפיפות השטף המגנטי. חיישנים ליניאריים או אנלוגיים מייצרים מתח קבוע שעולה עם שדות מגנטיים חזקים יותר ויורד עם שדות חלשים יותר. בחיישן אפקט הול, ככל שעוצמת השדה המגנטי עולה, אות המוצא של המגבר גדל עד שספק הכוח רווי. הגדלת השדה המגנטי גורמת להרוויה של הפלט אך אין לה השפעה:
כאשר הפלט של חיישן האולם עולה על רמה קבועה מראש של שטף מגנטי שזורם דרכו, המגעים עוברים במהירות ממצב 'סגור' למצב 'פתוח' מבלי להקפיץ. היסטרזיס מובנה זה מונע את תנודת אות המוצא בזמן שהחיישן עובר לתוך השדה המגנטי. משמעות הדבר היא שלחיישן הפלט הדיגיטלי יש רק מצבי 'פועל' ו'כבוי'.
סוגי חיישני אפקט הול
חיישני אפקט הול יכולים להיות משני סוגים: חיישני אפקט הול דו-קוטביים וחיישני אפקט הול חד-קוטביים. חיישנים חד-קוטביים יכולים לפעול ולהתפרק בעת כניסה ויציאה משדה מגנטי עם אותו קוטב מגנטי דרומי, בעוד שחיישנים דו-קוטביים דורשים שדות מגנטיים חיוביים ושליליים כדי לפעול ולפרוק. בשל יכולות כונן הפלט של 10-20mA, רוב מכשירי אפקט ההול אינם יכולים להחליף ישירות עומסי זרם גבוהים. עבור עומסי זרם כבדים, טרנזיסטור NPN מתווסף לפלט עם סידור אספן פתוח.
יישומים של חיישני אפקט הול
חיישני אפקט ההול מופעלים בנוכחות שדות מגנטיים והם נשלטים על ידי סוג קבוע יחיד של מגנט על פיר נע או גאדג'ט. כדי למקסם את הרגישות, קווי השטף המגנטי חייבים להיות מאונכים לשדה החיישן ועם הקיטוב הנכון בכל התצורות.
1: ראש על זיהוי
זה דורש שהשדה המגנטי יהיה מאונך לגלאי אפקט האולם, כפי שמוצג להלן:
טכניקה זו מפיקה אות פלט, V ח , המודד את צפיפות השטף המגנטי במכשירים ליניאריים כפונקציה של המרחק מחיישן אפקט ההול. מתח המוצא עולה עם עוצמת השדה המגנטי וקרבתו.
2: זיהוי לרוחב
זה דורש שטף מגנטי עקיף בזמן שהמגנט זז הצידה על פני אלמנט אפקט האולם.
חיישנים לרוחב או להזזה יכולים למדוד את המהירות של מגנטים או מנועים מסתובבים על ידי זיהוי השדה המגנטי המחליק על פני השטח של אלמנט הול במרחק מסוים מרווח האוויר.
ניתן להפיק מתח מוצא ליניארי חיובי או שלילי בהתאם למיקום השדה המגנטי העובר דרך קו מרכז שדה האפס של החיישן. הוא קובע תנועות אנכיות ואופקיות.
3: בקרת מיקום
גלאי המיקום נשאר במצב 'כבוי' כאשר אין שדה מגנטי. ברגע שהקוטב הדרומי של המגנט נע בכיוון מאונך לקרבת חיישן אפקט האולם, המכשיר נדלק והנורית נדלקת. כאשר הוא מופעל, חיישן אפקט ההול נמצא במצב 'ON'.
כדי לכבות את ה-LED, השדה המגנטי חייב לרדת מתחת לנקודת ההפעלה המינימלית הניתנת לזיהוי, או שהוא יכול גם להיות מתמודד עם הקוטב הצפוני הנגדי עם ערך גאוס שלילי.
סיכום
חיישני אפקט ההול משמשים לזיהוי כיוון וכן את עוצמת השדות המגנטיים. הם משמשים במגוון רחב של יישומים, לרבות רכב, חישת קרבה, זיהוי פנים, צד ומיקום עבור שדות מגנטיים שונים.