آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید که چرا وقتی درب لپ‌تاپ را می‌بندید، صفحه آن خاموش می‌شود؟ یا چرا وقتی گوشی هوشمند خود را برمی‌گردانید، صفحه آن می‌چرخد؟ یا چگونه موتور یک وسیله نقلیه الکتریکی می‌تواند سرعت خود را با این دقت کنترل کند؟ همه این پدیده‌ها به کار یک قهرمان گمنام بستگی دارد.-حسگر هال.

سنسورهای هال اسلکور

برای درک چگونگی عملکرد آن، باید به یک کشف فیزیکی که بیش از یک قرن پیش انجام شد، برگردیم.

۱. خاستگاه: اثر هال-یک پدیده فیزیکی کلاسیک

در سال ۱۸۷۹، فیزیکدان جوانی به نام ادوین هال طی یک آزمایش به کشف جذابی دست یافت. او دریافت که وقتی جریان الکتریکی از یک رسانای نازک (یا نیمه‌رسانا) عبور می‌کند و یک میدان مغناطیسی عمود بر جریان اعمال می‌شود، اتفاق غیرمنتظره‌ای رخ می‌دهد.

اجازه دهید'از یک قیاس واضح برای کمک به درک مطلب استفاده می‌کنند:

۱. یک بزرگراه (رسانا) را تصور کنید: الکترون‌ها مانند ماشین‌هایی هستند که با سرعت ثابت حرکت می‌کنند، در یک جهت حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.

۲. اعمال میدان مغناطیسی: اکنون، یک باد جانبی قوی (میدان مغناطیسی) از کنار بزرگراه می‌وزد. این باد، تمام ماشین‌ها (الکترون‌ها) را در حین حرکت هل می‌دهد.

۳. اختلاف ولتاژ ایجاد می‌شود: به دلیل فشار باد، خودروها (الکترون‌ها) به سمت یک طرف بزرگراه حرکت می‌کنند. این باعث می‌شود خودروهای بیشتری در یک طرف جمع شوند، در حالی که طرف دیگر خلوت می‌شود.

۴. این ولتاژ هال است: تجمع بارها، ولتاژی بین دو طرف بزرگراه ایجاد می‌کند و این به عنوان ولتاژ هال شناخته می‌شود.

نکته کلیدی: اثر هال نشان می‌دهد که وقتی یک میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی با هم برهمکنش می‌کنند، ولتاژی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی در رسانا ایجاد می‌شود. هرچه میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، ولتاژ هال بیشتر است.

۲. از پدیده تا دستگاه: اجزای حسگرهای مدرن اثر هال

حالا که اصل مطلب را فهمیدیم، مهندسان شروع به کار روی کوچک‌سازی این پدیده کردند. آن‌ها از فناوری‌های پیشرفته نیمه‌هادی (مانند سیلیکون و گالیوم آرسنید) برای ادغام «صفحه هال»، تقویت‌کننده‌های سیگنال و مدارهای پردازشی روی یک تراشه کوچک‌تر از یک دانه برنج استفاده کردند.

اینجا'روند کلی:

۱. حسگری: عنصر هال (یک نیمه‌رسانای کوچک) در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرد. وقتی میدان مغناطیسی از آن عبور می‌کند، یک ولتاژ هال بسیار ضعیف (معمولاً در محدوده میکروولت) تولید می‌کند.

۲. تقویت: این سیگنال خام برای استفاده مستقیم بسیار ضعیف است، بنابراین یک تقویت‌کننده تعبیه‌شده در تراشه، آن را تا سطح قابل استفاده تقویت می‌کند.

۳. پردازش: بسته به طراحی، پردازش به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود که مربوط به دو نوع رایج حسگرهای هال است:

سنسورهای اثر هال دیجیتال (سوئیچینگ/لچینگ):

عملکرد: این تراشه حاوی یک اشمیت تریگر (اساساً یک مدار مقایسه‌گر مقاوم در برابر نویز) است. این مدار ولتاژ تقویت‌شده را با یک «آستانه» از پیش تعیین‌شده مقایسه می‌کند.

نتیجه: وقتی قدرت میدان مغناطیسی از آستانه "روشن شدن" فراتر رود، حسگر'خروجی s بلافاصله از بالا به پایین (یا برعکس) تغییر می‌کند، مانند زدن یک کلید. وقتی میدان مغناطیسی ضعیف می‌شود و از آستانه "خاموش شدن" پایین‌تر می‌آید، خروجی به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

کاربردها: کلیدهای بدون تماس-برای مثال، تشخیص درب لپ‌تاپ، چراغ‌های درب خودرو، فعال‌سازی مسواک برقی.

سنسورهای هال آنالوگ (خطی):

عملکرد: ولتاژ خروجی با قدرت میدان مغناطیسی نسبت مستقیم دارد. هرچه میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، ولتاژ خروجی بیشتر و هرچه میدان ضعیف‌تر باشد، ولتاژ خروجی کمتر است.

نتیجه: این حسگرها سیگنال‌های پیوسته‌ای ارائه می‌دهند که به آنها اجازه می‌دهد نه تنها وجود میدان مغناطیسی، بلکه قدرت و قطبش (شمال یا جنوب) آن را نیز تشخیص دهند.

کاربردها: اندازه‌گیری فاصله، زاویه و جریان بدون تماس-برای مثال، حسگرهای موقعیت دریچه گاز در خودروها، اندازه‌گیری زاویه مفصل در رباتیک و تشخیص جریان در مدارها (با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی اطراف یک سیم برقدار، به طور غیرمستقیم جریان را محاسبه می‌کند)-بسیار امن).

۳. کاربردهای فراگیر: چرا ما عاشق حسگرهای اثر هال هستیم؟

جذابیت حسگرهای هال در عملکرد بدون تماس، طول عمر طولانی، قابلیت اطمینان بالا و پاسخ فرکانسی بالا نهفته است.

بدون تماس: عدم تماس فیزیکی به معنای عدم سایش مکانیکی، عدم جرقه و عمر بسیار طولانی است.-ایده‌آل برای محیط‌های خشن (گرد و غبار، روغن، لرزش).

سرعت بالا: آنها فوق‌العاده سریع پاسخ می‌دهند و این آنها را برای تشخیص اشیاء چرخان با سرعت بالا، مانند اندازه‌گیری سرعت موتور، ایده‌آل می‌کند.

دقت بالا: سنسورهای اثر هال خطی اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی ارائه می‌دهند.

در نتیجه، می‌توانید آنها را در تنظیمات متنوعی پیدا کنید:

لوازم الکترونیکی مصرفی: چرخش خودکار صفحه نمایش در تلفن‌ها و تبلت‌ها؛ تشخیص درب برای قاب‌های هدفون بلوتوث.

صنعتی و خودروسازی: کنترل سرعت موتور؛ تشخیص موقعیت پیستون در سیلندرها؛ کموتاسیون در موتورهای بدون جاروبک؛ مانیتورینگ جریان در سیستم‌های مدیریت باتری.

لوازم خانگی: اندازه‌گیری سرعت دیگ در ماشین‌های لباسشویی؛ اندازه‌گیری جریان در دستگاه‌های تصفیه آب.

نتیجه

از کشف فیزیک محض در سال ۱۸۷۹ تا «حسگرهای» هوشمند تعبیه‌شده در میلیاردها دستگاه امروزی، حسگرهای هال به‌طور کامل نشان می‌دهند که چگونه علوم پایه می‌توانند انقلاب‌های فناوری را هدایت کنند. آن‌ها مانند پلی عمل می‌کنند و میدان‌های مغناطیسی نامرئی و ناملموس را به سیگنال‌های الکتریکی دقیقی تبدیل می‌کنند که سیستم‌های الکترونیکی می‌توانند آن‌ها را درک و استفاده کنند. دفعه بعد که صفحه گوشی شما با چرخاندن مچ دستتان روشن می‌شود، می‌توانید لبخند بزنید، زیرا می‌دانید که نبوغ دکتر هال و مهندسان بی‌شماری بی‌سروصدا در پشت صحنه برای خدمت به شما کار می‌کنند.