کاربرد های سنسور اثر هال

سنسورهای مغناطیسی از گروه حالت جامد بوده که روز به روز محبوبیت بیشتری پیدا می کنند. یکی از اصلی ترین کاربرد سنسورهای مغناطیسی در سیستم خودرو برای سنجش سرعت، مسافت و موقعیت است. برخی موارد استفاده از سنسور مغناطیسی در خودرو عبارت است از:

• سنجش موقعیت زاویه ی میل لنگ
• سنجش موقعیت صندلی های خودرو و کمربند ایمنی برای کنترل کیسه ی هوا
• تشخیص سرعت چرخ برای سیستم ضد قفل ABS و غیره

کاربردهای IC های سنسور اثر هال

در بخش های قبلی با سنسور اثر هال آشنا شدیم. این سنسور نوعی حسگر مغناطیسی بوده که سیگنال خروجی آن تابعی از چگالی میدان مغناطیسی اطراف آن است. به صورت کلی این سنسورها توسط میدان مغناطیسی خارجی فعال می شوند. هر میدان مغناطیسی دارای دو ویژگی چگالی شار B و قطبیت (N و S) است. در صورتی که چگالی شار مغناطیس اطراف سنسور از مقدار آستانه ی آن بیشتر شود، سنسور آن را تشخیص خواهد داد. با تشخیص میدان مغناطیسی در خروجی سنسور ولتاژی تحت عنوان ولتاژ هال یا VH تولید می شود. برخی از کاربردهای IC های سنسور اثر هال عبارت اند از:

• سیستم های جرقه زنی یا ignition systems
• کنترل های سرعت یا speed controls
• سیستم های امنیتی یا security systems
• میکرومترها یا micrometers
• لیمیت سوئیچ های مکانیکی یا mechanical limit switches
• رایانه ها یا computers
• چاپگرها یا printers
• disk drives
• کیبوردها یا keyboards
• ابزارآلات ماشینی یا machine tools
• کلیدهای فشاری یا pushbutton switches
• لیمیت سوئیچ جریان یا current limit switches
• آشکارساز موقعیت یا position detectors
• سلکتور سوئیچ یا selector switches
• سنسورها ی جریان یا current sensors
• پتانسیومتر خطی یا linear potentiometers
• انکدرهای چرخشی یا rotary encoders

به صورت کلی سنسور های اثر هال به دو گروه آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شوند. در ادامه کاربرد هر یک از این گروه ها بررسی شده است.

کاربرد سنسور اثر هال آنالوگ

از سنسورهای اثر هال آنالوگ در موارد زیر استفاده می شود:

• تشخیص سرعت چرخ برای سیستم ترمز ضد قفل یا ABS
• دستگاه های کنترل موتور برای حفاظت و indication
• تشخیص دسترسی به منبع تغذیه
• Motion Sensing یا سنجش حرکت
• Sensing the rate of flow
• سنجش فشار دیافراگم در گیج فشار دیافراگم
• Sensing Vibration
• تنظیم ولتاژ یا Voltage Regulation و غیره

کاربرد سنسور اثر هال دیجیتال

از سنسور های دیجیتال اثر هال در موارد زیر استفاده می شود:

•  ارتباطات بی سیم یا Wireless Communications
• سنجش فشار یا Sensing Pressure
• سنجش میزان جریان یا Sensing rate of flow
• سنجش موقعیت شیر ها یا Sensing position of Valves
• سنجش موقعیت لنزها یا Sensing position of Lens

مزایای سنسور اثر هال

سنسورهای اثر هال دستگاه های solid state یا حالت جامد هستند. به صورت کلی امکان استفاده از این سنسورها در عملکردهای چندگانه مانند سنجش موقعیت، سرعت و هم چنین تشخیص جهت حرکت وجود دارد. به صورت کلی در این سنسورها :

• سایش یا پارگی به دلیل عدم وجود قطعات متحرک در این سنسورها وجود ندارد.
• نیاز به تعمیر و نگهداری خاصی ندارند.
• جزء سنسورهای robust یا قوی به شمار می روند.
• در برابر لرزش، گرد و غبار و آب مقاوم اند.

برخی از دیگر مزایای سنسور اثر هال عبارت اند از:

• حالت جامد
• عمر طولانی
• عمل با سرعت بالا. پاسخ فرکانسی بالای 100KHz
• عمل با ورودی ثابت یا Zero Speed Sensor
• اجزای غیر متحرک
• ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقی یا Logic Compatible input and output
• تاثیر پذیری از نویزهای مغناطیسی محیط
• بازه ی دمایی گسترده (-40◦C , +150◦C)
• عملکرد تکرار پذیر عالی

معایب سنسورهای اثر هال

برخی از معایب این سنسورها عبارت اند از:

• در این سنسورها امکان تاثیر گذاری میدان های مغناطیسی خارجی روی مقدار اندازه گیری شده وجود دارد. تاثیر خارجی روی مقادیر اندازه گیری شده یکی از عوامل نگران کننده در این سنسور است.
• طبق گفته ی وب سایت electricalfundablog.com این سنسورها قادر به اندازه گیری جریان در فاصله ی بیش از 10 سانتی متر نیستند. تنها راه حل این مسئله استفاده از آهنربای بسیار قوی و در نتیجه ایجاد میدان مغناطیسی وسیع است.
• دمای بالا بر مقاومت هادی تاثیر گذار است. این پدیده روی تحرک حامل شارژ یا charge carrier’s mobility و هم چنین حساسیت سنسورهای اثر هال موثر خواهد بود.

چگونگی عملکرد سنسور هال به صورت مدار مجتمع

جهت افزایش دقت و کاهش ابعاد و هزینه می توان سنسورها و مدارات مورد نیاز آن ها را به صورت یک IC طراحی کرد. IC ها همان تراشه ی سیلیکونی مجتمع هستند که امروزه به وسیله ی تکنولوژی CMOS مدرن تولید می شوند. در تصویر زیر یک بلوک دیاگرام IC شماره ی UGN3060 ساخت شرکت Allegro را مشاهده می کنید.

این تراشه شامل بخش های زیر است:

• رگولاتور ولتاژ که به طور معمول ولتاژی در حدود 5 ولت را تامین می کند.
• حسگر اثر هال
• مدار جبران کننده ی اثر حرارت
• تقویت کننده ی عملیاتی
• اشمیت تریگر

تمام سنسورهای نوع سوییچ هال دارای خروجی O.C بوده و نیازمند مقاومت های Pull-Up هستند. در این سنسور و با استفاده از یک تقویت کننده ی عملیاتی، دامنه ی سیگنال خروجی افزایش داده می شود. در ادامه سیگنال از فیلتر Band Pass عبور کرده و فرکانس های بالا توسط خازن داخلی خذف می شود. قابل ذکر است که به منظور حذف فرکانس های بسیار کم نیز می توان خازن را به پایه های خارجی فیلتر متصل کرد. از مزایای این روش عبارت اند از:

• نویزهای وارد شونده از پایه های VCC و GND حذف می شود.
• مقاومت در برابر اثر مخرب کانال های رادیویی و میدان مغناطیسی مزاحم افزایش می یابد.

سیگنال خروجی سنسور از فیلتر عبور کرده و پس از تقویت وارد اشمیت تریگر می شود. این قسمت وظیفه ی تولید ولتاژ های قطع و اشباع ترانزیستور جهت Switching را بر عهده دارد. سیگنال ورودی اشمیت تریگر ناشی از شار میدان مغناطیسی گذرنده از صفحه ی سنسور هال است. در منحنی هیسترزیس:

• هنگامی که شار مغناطیسی گذرنده از صفحه ی هال سنسور بیشتر از BON باشد، خروجی Low خواهد بود.
• هنگامی که مقدار شار کمتر از BOF باشد، خروجی High می گردد.

به عبارت دیگر، تغییرات شار مغناطیسی در اطراف سنسور هال موجب عمل سوئیچ در ترانزیستور خروجی خواهد شد.

در یکی از محصولات شرکت Microns، دو صفحه ی هال در داخل سنسور و با فاصله ی 2 mm از یکدیگر قرار داده شده اند. ترانزیستور خروجی بر اساس اختلاف شار مغناطیسی بین این دو صفحه، عمل سوییچ را انجام می دهد. این سنسور را سنسور هال تفاضلی می نامند.

هدف های مغناطیسی جهت Back-Biasing

سنسور اثر هال در داخل یک IC توسط یک قطب N یا S بایاس مغناطیسی شده است. تغییرات شار مغناطیسی خارجی موجب Back-Base شدن این سنسور می شود. بهترین ماده جهت انحام این کار مواد فرومغناطیسی هستند. این موارد بر خلاف مواد دیامغناطیس و پارامغناطیس از طرف میدان مغناطیسی خارجی به طور شدید جذب می گردند. خاصیت آهن ربایی پس از قطع میدان مغناطیسی در این مواد پایدار می ماند. خاصیت حفظ اثر مغناطیسی جهت Back-Biasing میدان مغناطیسی داخل IC استفاده می شود. عوامل موثر در انتخاب آهن ربای استفاده شده برای Back-Biasing عبارت اند از:

• دقت نقطه ی سوییچ
• طول فاصله ی هوایی
• گستره ی دمایی محیط و غیره

برای انجام کارهای دقیق می توان از Sm.Co استفاده کرد. در نظر داشته باشید که این ماده قیمت بالاتری نسبت به آهن ربا ها دارد. کارهای با دقت کمتر را می توان از ALNIC08 انجام داد.

برخی از کاربرد های سنسور اثر هال

کنترل دور موتور اتومبیل

یکی از موارد استفاده از سنسور اثر هال، کنترل دور موتور اتومبیل است. در این روش یک آهن ربا در پشت پدال گاز تعبیه شده که با فشار روی آن جابجا می شود. جابجایی یا چرخش آهن ربا باعث تغییر شار و ولتاژ خروجی آن خواهد شد. این ولتاژ می تواند جهت کنترل دور موتور استفاده شود.

کنترل بالابر شیشه ی اتومبیل

در تعیین موقعیت شاسی بالابرنده ی شیشه و جهت حرکت آن از سنسورهای اثر هال استفاده می شود.

سوییچ چراغ ترمز اتومبیل

جهت کنترل چراغ ترمز از یک آهن ربا در پدال ترمز استفاده می شود. فشردن پدال باعث جابجایی این آهنربا و عمل کرد سوئیچ آن می شود.  مزیت این سوئیچ، غیر مکانیکی بودن آن است. این امر موجب افزایش سرعت عملکرد و عمر این سوئیچ خواهد شد.

کموتاسیون موتورهای DC بدون جاروبک

کموتاتور در موتورهای DC با استفاده از جاروبک ها جریان AC را به DC تبدیل می کند. این روش مکانیکی بوده و عمر موتور بعلت اصطکاک ناشی از جاروبک ها، کاهش پیدا می کند. در موتورهای DC بدون جاروبک از سنسور اثر هال به منظور کموتاسیون استفاده می شود. در این روش سنسور اثر هال موقعیت روتور را با استفاه از خاصیت مغناطیسی آن تشخیص می هد. در ادامه سیستم پردازنده اتصال سیم پیچ های آرمیچر را با توجه به موقعیت روتور با خروجی موتور جابه جا می کند. یکی از مزایای این روش افزایش سرعت و دقت موتور است.

اندازه گیری دور موتور الکتریکی

برای این کار می توان از یک آهنربا روی شفت استفاده کرد. قرار دادن آهنربا روی قسمت متحرک فرومغناطیس باعث مدول شدن میدان مغناطیسی می شود. این امر موجب تغییر میدان مغناطیسی در محل سنسور شده و می توان از سیگنال خروجی آن جهت نمایش دور موتور الکتریکی استفاده کرد.

اندازه گیری جریان الکتریکی

به منظور اندازه گیری جریان الکتریکی توسط این سنسور از یک چوک مغناطیسی استفاده می شود. عبور جریان از این چوک باعث تغییر میدان مغناطیسی خواهد شد. میدان مغناطیسی روی سنسور تاثیر گذاشته و خروجی آن بر اساس جریان عبوری تغییر می کند. در این روش ولتاژ خروجی سنسور به منظور محاسبه ی جریان در مدارهای دیگر استفاده می شود.

اندازه گیری موقعیت، نیرو و یا فشار

اندازه گیری موقعیت یکی دیگر از کاربردهای این سنسور در صنعت است. طبق تصویر با حرکت آهن ربا در اثر تغییر در ورودی هایی مانند فاصله، نیرو یا فشار، در میدان مغناطیسی تغییراتی ایجاد می شود. سنسور این تغییر را به سیگنال خروجی تبدیل کرده و از آن جهت نمایش فاصله، نیرو یا فشار استفاده می شود.

سنسورهای موقعیت تشخیص پره یا Position Sensor Vane Operated

این سنسور شامل یک آهن ربا و یک سنسور اثر هال با خروجی دیجیتالی است. میان سنسور اثر هال و آهن ربا یک فاصله ی هوایی وجود دارد. نام دیگر سنسور Position Sensor Vane Operated سنسور پره است. این سنسور ها قادر به تشخیص موقعیت خطی و هم چنین موقعیت سنجی زاویه ای هستند. در تصویر زیر یک  Hall-effect vane position sensor with magnet را مشاهده می کنید.

تصویر زیر مربوط به نوعی سنسور اثر هال با Manufacturer Part No یا شماره ی قطعه ی سازنده ی SR16C-J6 می باشد.

Sequence Sensors

با استفاده این سنسور می توان موقعیت یا وضعیت جسام را تشخیص داد. در تصویر زیر تعدادی دیسک آهنی بر روی یک شفت قرار گرفته اند. این دیسک ها از فاصله ی هوایی سنسورهای پره یا Vane Sensor عبور می کنند. شکل هر یک از این دیسک ها به گونه ای است که یک مجموعه از آن ها منجر به تولید کدهای خاصی در خروجی سنسور خواهد شد. خروجی سنسور پره هنگام قرار گیری دیسک در فاصله ی هوایی، معادل صفر و هنگام خروج آن از فاصله ی هوایی معادل یک خواهد بود.

به جای استفاده از دیسک ها و سنسورهای پره می توان از آهنربای حلقه ای متصل به شفت و سنسورهای اثر هال دو قطبی یا bipolar نیز استفاده کرد.

سنسور موقعیت چندگانه یا Multiple position sensor

تصویر زیر سنسور اثر هال را در کنار سه مقایسه کننده ی ولتاژ نشان می دهد. این سنسور چندگانه دارای سه خروجی دیجیتالی است.

سنسور ضد لغزشی Anti-Skid sensor

در تصویر زیر روشی جهت کنترل نیروی ترمز چرخ را مشاهده می کنید. هدف از این سیستم امکان توقف اتومبیل در حداقل زمان ممکن بدون قفل شد چرخ است. در این حالت سنسور به گونه ای قرار گرفته که یک چرخ دنده ی داخلی را حس می کند. در نظر داشته باشید که زمان عکس العمل سیستم توقف بر مبنای فرکانس سیگنال تولید شده توسط سنسور تحمین زده می شود.

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.