مستشعر تأثير هول
تكتشف مستشعرات تأثير هول قوة المجال المغناطيسي واتجاه المغناطيس الدائم أو المغناطيس الكهربائي. إن إخراج مستشعر تأثير القاعة هو وظيفة مجاله المغناطيسي ويمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية الإيجابية والسلبية.
مبدأ عمل مستشعر تأثير هول
يقوم المجال المغناطيسي الخارجي بتنشيط أجهزة استشعار تأثير القاعة. يتم تمثيل المجالات المغناطيسية بكثافة التدفق (B) وبواسطة أقطابها المغناطيسية، مثل القطب الشمالي أو القطب الجنوبي. تحدد المغناطيسية المحيطة بمستشعر تأثير القاعة إشارة الخرج الخاصة به. عندما تتجاوز كثافة التدفق المغناطيسي المحيط قيمة عتبة محددة مسبقًا، ينتج المستشعر جهد Hall، VH.
أجهزة استشعار أشباه الموصلات هي أشباه موصلات من النوع p مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وزرنيخيد الإنديوم (InAs) وأنتيمونيد الإنديوم (InSb) التي تقوم بتوصيل التيار المباشر. تتعرض المادة شبه الموصلة لقوة في وجود المجال المغناطيسي، مما يتسبب في انتقال كل من الإلكترونات وكذلك الثقوب إلى جوانب طبقة أشباه الموصلات. عندما تتحرك الإلكترونات والثقوب إلى أي من الجانبين، ينشأ فرق جهد بين الجوانب المختلفة لأشباه الموصلات. في المواد المستطيلة المسطحة، يكون للمجال المغناطيسي الخارجي المتعامد مع المادة شبه الموصلة تأثير أكبر على حركة الإلكترون.
يُظهر تأثير هول نوع القطب المغناطيسي وشدة مجاله. على سبيل المثال، يوجد جهد عند أحد قطبي المغناطيس، ولكن ليس عند القطب الآخر. عادة ما تكون أجهزة استشعار تأثير هول 'متوقفة عن العمل' وتعمل كدائرة مفتوحة عندما لا يكون هناك مجال مغناطيسي. يتم إغلاقها فقط تحت مجال مغناطيسي قوي الاستقطاب (دائرة مغلقة).
خصائص المستشعر المغناطيسي لتأثير هول
جهد القاعة (V ح ) لمستشعر تأثير القاعة هي دالة لقوة المجال المغناطيسي (H). تتضمن معظم أجهزة تأثير القاعة التجارية مضخمات التيار المستمر، ودوائر التبديل المنطقية، ومنظمات الجهد الكهربي فيها لتحسين حساسية المستشعر وفولتية الخرج. وهذا يسمح لمستشعر تأثير القاعة بالتعامل مع المزيد من الطاقة والمجالات المغناطيسية.
مخطط دائرة الحساس المغناطيسي لتأثير هول
تحتوي أجهزة الاستشعار شبه النشطة على مخرجات خطية أو رقمية. يرتبط جهد الخرج للمستشعر الخطي مباشرة بالمجال المغناطيسي الذي يتدفق عبر مستشعر القاعة ويتم إخراجه بواسطة مضخم تشغيلي.
معادلة تأثير هول للجهد
يتم إعطاء معادلة جهد الخرج بواسطة:
هنا، V ح يدل على جهد القاعة، R ح يشير إلى معامل تأثير هول، وأنا أشير إلى التيار، ويشير t إلى السُمك ويرمز B إلى كثافة التدفق المغناطيسي. تنتج المستشعرات الخطية أو التناظرية جهدًا ثابتًا يزداد مع المجالات المغناطيسية الأقوى ويتناقص مع المجالات الأضعف. في مستشعر تأثير القاعة، مع زيادة قوة المجال المغناطيسي، تزداد إشارة خرج مكبر الصوت حتى يتشبع مصدر الطاقة. تؤدي زيادة المجال المغناطيسي إلى تشبع الخرج ولكن ليس لها أي تأثير:
عندما يتجاوز خرج مستشعر القاعة مستوى محدد مسبقًا من التدفق المغناطيسي المتدفق من خلاله، تتحول نقاط الاتصال بسرعة من الحالة 'المغلقة' إلى الحالة 'المفتوحة' دون ارتداد. يمنع هذا التباطؤ المدمج إشارة الخرج من التأرجح أثناء تحرك المستشعر إلى المجال المغناطيسي. وهذا يعني أن مستشعر الإخراج الرقمي لديه حالات 'تشغيل' و'إيقاف' فقط.
أنواع أجهزة استشعار تأثير هول
يمكن أن تكون أجهزة استشعار تأثير هول من نوعين: أجهزة استشعار تأثير هول ثنائية القطب وأجهزة استشعار تأثير هول أحادية القطب. يمكن لأجهزة الاستشعار أحادية القطب أن تعمل وتفرغ عند الدخول والخروج من مجال مغناطيسي بنفس القطب المغناطيسي الجنوبي، بينما تتطلب أجهزة الاستشعار ثنائية القطب مجالات مغناطيسية موجبة وسالبة للتشغيل والتفريغ. نظرًا لقدرات محرك الإخراج 10-20 مللي أمبير، لا تستطيع معظم أجهزة تأثير القاعة تبديل الأحمال الحالية العالية مباشرة. بالنسبة لأحمال التيار الثقيلة، يتم إضافة ترانزستور NPN إلى الخرج مع ترتيب المجمع المفتوح.
تطبيقات مجسات تأثير هول
يتم تشغيل مستشعرات تأثير هول في وجود مجالات مغناطيسية ويتم التحكم فيها بواسطة نوع واحد دائم من المغناطيس على عمود متحرك أو أداة. ولتحقيق أقصى قدر من الحساسية، يجب أن تكون خطوط التدفق المغناطيسي متعامدة مع مجال المستشعر وباستقطاب صحيح في جميع التكوينات.
1: رئيس على الكشف
ويتطلب أن يكون المجال المغناطيسي متعامدا مع كاشف تأثير هول، كما هو موضح أدناه:
تنتج هذه التقنية إشارة خرج V ح ، الذي يقيس كثافة التدفق المغناطيسي في الأجهزة الخطية كدالة للمسافة من مستشعر تأثير القاعة. يزداد جهد الخرج مع قوة المجال المغناطيسي وقربه.
2: الكشف الجانبي
يتطلب تدفقًا مغناطيسيًا غير مباشر بينما يتحرك المغناطيس جانبيًا عبر عنصر تأثير القاعة.
يمكن لأجهزة الاستشعار الجانبية أو المتحركة قياس سرعة دوران المغناطيسات أو المحركات عن طريق الكشف عن المجال المغناطيسي المنزلق على سطح عنصر القاعة على مسافة معينة من الفجوة الهوائية.
يمكن إنتاج جهد خرج خطي موجب أو سلبي اعتمادًا على موضع المجال المغناطيسي الذي يمر عبر الخط المركزي للمجال الصفري للمستشعر. ويحدد الحركات الرأسية والأفقية.
3: التحكم في الموقف
يبقى كاشف الموقع في حالة 'إيقاف التشغيل' عندما لا يكون هناك مجال مغناطيسي. بمجرد أن يتحرك القطب الجنوبي للمغناطيس في اتجاه عمودي على مقربة من مستشعر تأثير القاعة، يتم تشغيل الجهاز ويضيء مؤشر LED. عند تشغيله، يكون مستشعر تأثير القاعة في حالة 'تشغيل'.
لإيقاف تشغيل مؤشر LED، يجب أن ينخفض المجال المغناطيسي إلى ما دون أدنى نقطة إثارة يمكن اكتشافها، أو يمكن أيضًا مواجهته مع القطب الشمالي المقابل بقيمة غاوس سالبة.
خاتمة
تُستخدم مستشعرات تأثير القاعة للكشف عن الاتجاه بالإضافة إلى قوة المجالات المغناطيسية. يتم استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك السيارات، واستشعار القرب، والكشف الأمامي، والجانبي، واكتشاف المواقع للمجالات المغناطيسية المختلفة.