برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

بنام خدا


 

در سال 1879 برای نخستین بار اثر هال توسط دکتر ادوین هال در حالیکه دانشجوی دکتری در دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور بود ارائه شد. هال تلاش میکرد تا درمورد نظریه جریان الکترونی که کلوین 30 سال قبل ارائه نموده بود  تحقیق کند. دکتر هال متوجه شد که وقتی یک میدان مغناطیسی عمود بر یک طرف صفحه ی مستطیل شکل طلا که از آن جریان الکتریکی میگذرد  اعمال شود، در لبه های صفحه اختلاف پتانسیل ایجاد میشود. او متوجه شد که این ولتاژ متناسب با جریان گذرنده از صفحه هادی و چگالی شار یا میدان القایی عمود به هادی است. اگرچه آزمایشات هال همگی موفقیت آمیز بودند اما هیچ کاربرد عملی از این نتایج تئوری تا 70 سال بعد بدست نیآمد.

 

پس از ظهور مواد نیمه هادی در دهه ی 1950، اثر هال اولین کابردهای خودش را شناخت. اما این کاربردها در زمان خویش بسیار هزینه بر بودند. در 1965، اِوِرِت وُرثمَن و جو مائوپین، مهندسان شرکت کنترل و سنسور میکروسوئیچ تیمی را برای یافتن یک راه حل عملی، قابل استفاده و کم هزینه سنسور هال الکترونیکی تشکیل دادند. ایده های مختلفی توسط این تیم بررسی شد که حول اثر هال میگشت زیرا آنرا میشد در یک چیپ سیلیکونی جای داد. این پیشرفت منجر به ساخت اولین عناصر نیمه هادی ارزان قیمتی شد که اکنون نیز به همان نام یعنی "اثر هال" شناخته میشوند. شرکت میکروسوئیچ تاکنون نزدیک به یک میلیارد سنسور Hall Effect را تولید و روانه بازار کرده است.

 

تئوری اثر هال:

 

وقتی یک هادی حامل جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی قرار میگیرد، ولتاژی عمود بر جریان و میدان مغناطیسی ایجاد میشود. این اصل بعنوان اثر هال شناخته میشود. شکل یک اساس اثر هال را نشان میدهد:

 

شکل یک - اثر هال در نبود میدان مغناطیسی

 

دراین شکل ورقه نازکی از ماده نیمه هادی (عنصر هال) نشان داده شده است که از آن جریان I میگذرد. اتصالات خروجی از دو لبه صفحه بنحوی گرفته شده اند که عمود بر جهت جریان است. وقتی مثل آنچه در شکل فوق نشان داده شده است میدان مغناطیسی موجود نباشد، توزیع جریان کاملاً یکنواخت بوده و اختلاف پتانسیلی در خروجی مشاهده نمیشود. 

 

وقتی یک میدان قائم نظیر آنچه در شکل دو نشان داده شده است بر صفحه اعمال شود،  نیروی لورنتز Lorentz بر جریان وارد میشود. این نیرو باعث اغتشاش در توزیع جریان شده منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل ( ولتاژ) در دو سر خروجی مبگردد. این ولتاژ بعنوان ولتاژ هال VH  شناخته میشود و متناسب با جریان و شدت میدان مغناطیسی است.

 

شکل دو - اثر هال در حضور میدان مغناطیسی

 

سنسورهای اثر هال در بسیاری از وسایل اندازه گیری مورد استفاده قرار گرفته اند. بطورکلی اگر پارامتر تحت اندازه گیری یا کمیتی که قرار است سنسSense گردد به نوعی با میدان مغناطیسی مربوط شود میتوان از سنسورهای اثر هال برای اندازه گیری آن کمیت استفاده نمود.    

 

سنسور اثر هال، مبدلی است که ولتاژ خروجیش نسبت به تغییرات میدان مغناطیسی اطرافش تغییر میکند. بیشترین کاربرد این سنسورها در سوئیچهای مجاورتی Proximity Switch ، سرعت سنج، و کاربردهایی نظیر سنسورهای جریان الکتریکی است. در ساده ترین شکل، این نوع سنسورها بعنوان مبدل آنالوگ عمل میکنند و مستقیماً ولتاژ متناظر با میدان اعمال شده را بوجود میآورند. با مشخص بودن میدان مغناطیسی اعمال شده، فاصله صفحه اثر هال تا میدان اعمالی را میتوان تعیین کرد. به کمک گروهی از سنسورهای اثر هال، موقعیت نسبی میدان را میتوان بدست آورد.

سنسورهای اثر هال را میتوان علاوه بر کاربردهای فوق در وسایل اندازه گیری و حسگرهای دیگری نیز یافت. بطورکلی هر جاییکه کمیت مورد اندازه گیری یا قابل حس شدن به نوعی با میدان مغتاطیسی مرتبط باشد ، از سنسور هال میتوان استفاده نمود. ولتاژ هال متناسب با حاصلضرب بردارهای متقاطع جریان (I) و میدان مغناطیسی (B) است.

کاربردی از سنسور اثرهال: سیلیکون بعنوان یک ماده پیزوالکتریکی این قابلیت را دارد که مقاومت الکتریکی آن با فشار وارده به آن تغییر کند. با کمک سنسور هال میتوان این اثر را به حداقل رساند. اینکار را میتوان با اضافه نمودن چند سنسور هال به یا کنار چیپ سیلیکونی انجام داد. در شکل 3 تعدادی سنسورهال در مجاورت یک آی سی قرار داده شده اند. به این سنسورها نیز همان فشاری وارد میشود که به بسته بندی(Package) چیپ سلیکونی اعمال میگردد. این فشار با ∆R در شکل مشخص شده است. اولین سنسور هال توسط فشار ناشی از محور عمودی و دومی بوسیله فشار محوری افقی تحریک می شوند. برآیند ایندو نیرو بصورت سیگنال خروجی متناسب با فشار اعمال شده قابل اندازه گیری است.

 

شکل سه – المان هال برای حذف یا به حداقل رساندن اثر فشار به بدنه  آی سی

 

اساس کار سنسورهای هال

 سنسورهای هال به نوعی همان سنسورهای میدان مغناطیسی هستند. این سنسورها به Signal Conditioning نیاز دارند تا خروجی قابل استفاده برای بیشتر کاربردها را ایجاد کنند. Signal Conditioning ها طبقه های تقویت کننده ای شامل جبران ساز حرارتی هستند. همچنین هنگامی که تغییرات ولتاژ زیاد باشد به تنظیم کننده ولتاژ نیاز دارند. شکل چهار یک سنسور اثر هال بهمراه سیگنال کاندیشنینگ و تنظیم کننده ولتاژ را نشان میدهد.

شکل چهار – سنسور اثر هال

هنگامیکه میدان مغناطیسی وجود ندارد ولتاژ هال اندازه گیری شده صفر خواهد بود (به شکل یک در اینجا مراجعه کنید) درحالیکه ولتاژ تک تک ترمینالها نسبت به زمین صفر نخواهد بود. تقویت کننده نشان داده شده در شکل 4 یک تقویت کننده تفاضلی است و تنها اختلاف پتانسیل دو سر المان هال (ولتاژ هال) را تقویت میکند.

ولتاژ هال یک سیگنال بسیار ضعیف است ( در حدود 30 میکروولت برای یک گاوس میدان مغناطیسی). در نتیجه به تقویت کننده نویز پایین، با امپدانس ورودی بالا و گین متوسط نیاز است. همانطوریکه از رابطه ولتاژ هال (حاصلضرب بین جریان و میدان مغناطیسی) پیداست، المان هال نیاز به جریان ثابت دارد تا تغییرات ولتاژ هال دقیقاً متناظر با شدت میدان مغناطیسی باشد. دلیل بکار گیری رگولاتور در شکل 4 نیز همین است. 

در قسمت بعدی به بحث پیرامون مشخصات سنسورهای اثر هال خواهیم پرداخت.

برای نوشتن بخشی از مطالب سنسورهای اثر هال از جزوه های آموزشی شرکت Honeywell استفاده شده است.


ایمان سریری

imansariri.com

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :