HALL ETKİSİ SENSÖRÜ NEDİR ?

Hall etkisi sensör nedir ? Hall etkisi sensörü nasıl çalışır ve nerelerde kullanılır ? Hall etkisi sensörü uygulamaları nedir ? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız Hall Etkisi Sensörü Nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Başlayalım.

HALL ETKİSİ SENSÖRÜ

Manyetik sensörler manyetik olarak kodlanmış bilgileri elektronik devreler tarafından işlenmek üzere elektrik sinyaline dönüştürürler.

Sensörler ve Dönüştürücüler ile ilgili yazılarımızda endüktif yaklaşım sensörlerine ve LDVT’ye, solenoid ve röle çıkış aktüatörlerini incelemiştik.

Manyetik sensörler, gittikçe daha popüler hale gelen katı hal cihazlarıdır, çünkü konumlandırma, hız veya yön hareketi gibi birçok farklı uygulama türünde kullanılabilirler.Ayrıca temassız ve aşınma gerektirmeyen kullanımları, düşük bakım ihtiyaçları, sağlam tasarımları ve mühürlü hall etkili cihazlar titreşime, toza ve suya karşı bağışık olduğu için elektronik tasarımcılar için popüler bir sensör seçimidir.

Manyetik sensörlerin ana kullanımlarından biri, konum, mesafe ve hızın algılanması için otomotiv sistemlerindedir.

Örneğin, krank milinin bujilerin ateşleme açısı için açısal konumu, hava yastığı kontrolü için araba koltuklarının ve emniyet kemerlerinin konumu veya kilitlenme önleyici fren sistemi için tekerlek hızı algılama sistemi (ABS) gibi.

Manyetik sensörler, çeşitli farklı uygulamalarda geniş bir pozitif ve negatif manyetik alan aralığına yanıt verecek şekilde tasarlanmıştır ve etrafındaki çıkış alanı manyetik alan yoğunluğunun bir fonksiyonu olan bir tür mıknatıs sensörüne, Hall Etkisi Sensörü adı verilir.

Hall Etkisi Sensörleri, harici bir manyetik alan tarafından etkinleştirilen aygıtlardır.Bir manyetik alanın akı yoğunluğu(B) ve kutupsallık (Kuzey ve Güney Kutupları) olmak üzere iki önemli özelliği olduğunu biliyoruz.

Bir Hall Etkisi sensöründen gelen çıkış sinyali, cihazın etrafındaki manyetik alan yoğunluğunun bir fonksiyonudur.Sensörün etrafındaki manyetik akı yoğunluğu önceden belirlenmiş bir eşiği aştığında, sensör bunu algılar ve Hall Voltajı, VH adlı bir çıkış voltajı üretir.

Hall Etkisi Sensör Prensipleri

Hall Etkisi Sensörleri temel olarak galyum arsenit (GaAs), indiyum antimonid (InSb) veya indiyum arsenit (InA’lar) gibi ince bir dikdörtgen p-tipi yarı iletken malzemeden oluşur.Cihaz manyetik bir alana yerleştirildiğinde, manyetik akı çizgileri, yarı iletken malzemenin üzerine, yük taşıyıcıları, elektronları ve delikleri yarı iletken levhanın her iki tarafına dağıtan bir kuvvet uygular.

Yük taşıyıcıların bu hareketi, yarı iletken malzemeden geçen manyetik kuvvetlerin bir sonucudur.

Bu elektronlar ve delikler yan korkaklar boyunca hareket ettikçe, yarı iletken malzemenin iki yanı arasında bu yük taşıyıcıların birikmesi ile potansiyel bir fark üretilir.

Daha sonra elektronların yarı iletken malzemeden geçmesi, kendisine dik açılı olan bir dış manyetik alanın varlığından etkilenir ve bu etki, düz, dikdörtgen biçimli bir malzemede daha büyüktür.

Manyetik alan kullanarak ölçülebilir bir gerilim üretmenin etkisine, Hall etkisinin altında yatan temel fiziksel ilke ile Lorentz kuvveti olan 1870’lerde bunu keşfeden Edwin Hall’dan sonra Hall Etkisi adı verilir.

Cihaz boyunca potansiyel bir fark yaratmak için, manyetik akı çizgileri, akımın akışına dik, (90 derece) ve doğru kutuplu, genellikle bir güney kutbu olmalıdır.

Hall etkisi, manyetik kutunun türü ve manyetik alanın büyüklüğü hakkında bilgi sağlar.Örneğin, bir güney kutbu, bir kuzey kutbu etkisiz olacak şekilde cihazın voltaj çıkışı üretmesine neden olur.Genel olarak, Hall Etkisi sensörleri ve anahtarları, manyetik alan olmadığında “Kapalı” (açık devre durumu) olacak şekilde tasarlanmıştır.

Yeterli mukavemet ve polariteye sahip bir manyetik alana maruz kaldıklarında, yalnızca “Açık”, (kapalı devre koşulu) olurlar.

Hall Etkili Manyetik Sensör

Temel Hall elemanının Hall voltajı (VH) olarak adlandırılan çıkış voltajı, yarı iletken malzemeden (çıkış ∝ H) geçen manyetik alanın gücü ile doğru orantılıdır.

Bu çıkış voltajı oldukça küçük olabilir, güçlü manyetik alanlara maruz kalsa bile sadece birkaç mikro voltajda olabilir, bu nedenle ticari olarak en uygun olan Hall etkili cihazları sensörlerin hassasiyetini, histerezisini ve çıktısını iyileştirmek için yerleşik DC amplifikatörleri, mantık anahtarlama devreleri ve voltaj regülatörleri ile üretilir.

Bu ayrıca Hall etkisi sensörünün daha geniş bir güç kaynağı aralığında ve manyetik alan koşullarında çalışmasına izin verir.

Hall Etkisi Sensörü

Hall Etkisi Sensörleri doğrusal veya dijital çıkışlarla mevcuttur.Doğrusal (analog) sensörler için çıkış sinyali doğrudan operasyonel amplifikatörün çıkışından alınır, çıkış voltajı Hall sensöründen geçen manyetik alanla doğru orantılıdır.

Burada çıkış Hall voltajı şu şekilde verilir:

Vh = Rh x [(I/t) x B]

Burada:

VH, volt cinsinden Hall Voltajıdır.

RH, Hall Etkisi katsayısıdır

I ;  sensördeki amper cinsinden geçen akımdır

t sensörün mm cinsinden kalınlığı

B, Tesla olarak Manyetik Akı yoğunluğu

Doğrusal veya analog sensörler, güçlü bir manyetik alan ile artan ve zayıf bir manyetik alan ile azalan sürekli bir voltaj çıkışı verir.

Doğrusal çıktıda Hall etkisi sensörleri, manyetik alanın gücü arttıkça, amplifikatörden gelen çıkış sinyali de güç kaynağı tarafından uygulanan sınırlarla doygunluğa kadar artacaktır.

Manyetik alandaki herhangi bir ilave artışın çıktı üzerinde bir etkisi olmayacak, ancak burada doygunluğa ulaşılmış olacaktır.

Diğer yandan dijital çıkış sensörlerinde op-amp’a bağlı histeresiz de yerleşik bir Schmitt-tetikleyici bulunur.Hall sensöründen geçen manyetik akı önceden belirlenmiş bir değeri aştığında, cihazdan çıkan çıkış, herhangi bir kontak sıçraması olmadan “Off” durumundan “On” durumuna hızlı bir şekilde geçer.

Bu yerleşik histerezis, sensör manyetik alana girip çıkarken çıkış sinyalinin salınımını engeller.O zaman dijital çıkış sensörlerinde sadece “On” ve “Off” olmak üzere iki durum bulunur.

Bipolar ve Unipolar olmak üzere iki temel dijital Hall etkisi sensörü vardır.Bipolar sensörler, onları çalıştırmak için pozitif bir manyetik alan (güney kutbu) ve onları serbest bırakmak için bir negatif alan (kuzey kutbu) gerektirirken, unipolar sensörler, manyetik olarak içeri ve dışarı hareket ettiklerinde onları çalıştırmak ve serbest bırakmak için sadece tek bir manyetik güney kutbu alanı gerektirir.

Çoğu Hall efekti cihazının, çıkış tahrik özellikleri 10 ila 20mA civarında çok küçük olduğu için büyük elektrik yüklerini doğrudan anahtarlayamaz.Büyük akım yükleri için çıkışa açık kollektör (akım sink olacak şekilde) NPN Transistör eklenir.

Bu transistör, doyum bölgesinde, uygulanan akı yoğunluğu, “On” ön ayar noktasınınkinden yüksek olduğunda çıkış terminalini toprağa kısa devre yapan bir NPN sink bağlantı anahtarı olarak çalışır.

Çıkış anahtarlama transistörü ya bir açık yayıcı transistör, açık kollektör transistör konfigürasyonu olabilir ya da her ikisi de, röleler, motorlar, LED’ler ve lambalar dahil olmak üzere birçok yükü doğrudan sürecek kadar akım alabilen bir push-pull çıkış tipi konfigürasyon sağlayabilir.

Hall Etkisi Uygulamaları

Hall etkisi sensörleri manyetik bir alan tarafından etkinleştirilir ve birçok uygulamada, cihaz hareketli bir şafta veya cihaza bağlı tek bir sabit mıknatısla çalıştırılabilir.“Başa Dönme”, “Yanlara”, “İtme” veya “Çekme” vb.

Algılama hareketleri gibi birçok farklı mıknatıs hareketi vardır.Her türlü konfigürasyonun kullanıldığı, maksimum hassasiyetin sağlanması için manyetik akı çizgileri daima cihazın algılama alanına dik olmalı ve doğru kutuplarda olmalıdır.

Ayrıca doğrusallığı sağlamak için, gerekli hareket için alan kuvvetinde büyük bir değişiklik yaratan yüksek alan kuvveti mıknatıslar gerekir.Manyetik bir alanı tespit etmek için birkaç olası hareket yolu vardır ve aşağıda, tek bir mıknatıs kullanan daha yaygın algılama konfigürasyonlarının ikisi yer almaktadır:

Head-on Detection ve Sideways Detection

Head-On Detection

Adından da anlaşılacağı gibi, “kafa üstü algılama”, manyetik alanın hall etkisinin algılama cihazına dik olmasını ve algılama için sensöre doğrudan aktif yüze doğru yaklaşmasını gerektirir.Bir çeşit “kafa kafaya” yaklaşım gibi düşünebilirsiniz.

Bu kafa kafaya yaklaşım, lineer cihazlarda manyetik alanın gücünü, manyetik akı yoğunluğunu, hall etkisi sensöründen uzak bir mesafe fonksiyonu olarak temsil eden bir çıkış sinyali üretir.Manyetik alan ne kadar yakın ve dolayısıyla manyetik alan o kadar güçlü olursa, çıkış voltajı o kadar yüksek olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Doğrusal cihazlar ayrıca pozitif ve negatif manyetik alanlar arasında ayrım yapabilir.Konumsal algılamayı belirtmek için “Açık” çıktısını mıknatıstan uzakta önceden belirlenmiş bir hava boşluğu mesafesinden tetiklemek için doğrusal olmayan cihazlar yapılabilir.

Sideways Detection

İkinci algılama konfigürasyonu “yan algılama”dır.Bu, mıknatısı Hall etkisi elemanının yan tarafına doğru hareket ettirerek hareket ettirmeyi gerektirir.

Yana doğru veya kayarak saptama tespiti, örneğin dönme mıknatıslarını sayarak veya motorların dönme hızını sayarak sabit bir hava boşluğu mesafesi içerisinde Hall elemanının yüzü boyunca hareket ederken manyetik bir alanın varlığını tespit etmek için kullanışlıdır.

Manyetik alanın, sensörün sıfır alan merkez çizgisinden geçtiği pozisyona bağlı olarak, hem pozitif hem de negatif bir çıkışı temsil eden doğrusal bir çıkış voltajı üretilebilir.Bu, yatay ve dikey olabilen yönlü hareketi algılamayı sağlar.

Hall Etkisi Sensörleri için özellikle yakınlık sensörleri olarak birçok farklı uygulama vardır.Otomotiv uygulamalarında olduğu gibi su, titreşim, kir veya yağdan oluşan çevresel koşullar optik ve ışık sensörleri yerine kullanılabilir.Hall etkisi cihazları akım algılama için de kullanılabilir.

Önceki derslerden biliyoruz ki, bir akım bir iletkenden geçtiğinde, etrafında dairesel bir elektromanyetik alan meydana gelir.Hall sensörünü iletkenin yanına yerleştirerek, birkaç miliamperden binlerce ampere kadar olan elektrik akımları, büyük veya pahalı trafolara ve bobinlere ihtiyaç duymadan üretilen manyetik alandan ölçülebilir.

Mıknatısların ve manyetik alanların varlığını veya yokluğunu tespit etmenin yanı sıra, Hall efektif sensörler, demir ve çelik gibi ferromanyetik malzemeleri tespit etmek için cihazın aktif alanının arkasına küçük bir kalıcı ” biasing” mıknatısı yerleştirmek için de kullanılabilir.

Sensör artık kalıcı ve statik bir manyetik alana oturur ve bu manyetik alanda demir içeren bir malzemenin girmesi ile ilgili herhangi bir değişiklik veya etki, mV/G kadar düşük hassasiyetlerde algılanacaktır.

Hall etkisi sensörlerini dijital veya lineer olsun, cihazın türüne bağlı olarak elektrik ve elektronik devrelere bağlamak için birçok farklı yol vardır.Çok basit ve yapımı kolay bir örnek, resimde de  gösterildiği gibi bir Işık Yayan Diyot(LED) kullanmaktır.

Konumsal Dedektör

Kafa üstü konum detektörü, manyetik alan bulunmadığında “Off” olacaktır (0 gauss).Kalıcı mıknatıslar güney kutbu (pozitif gauss) Hall efekti sensörünün aktif alanına dik olarak hareket ettirildiğinde, cihaz “Açık” konuma geçer ve Led’i yakar.

“On” konumuna getirildiğinde Hall etkisi sensörü “On” konumunda kalır.

Cihazı ve dolayısıyla LED’i “Kapalı” duruma getirmek için, manyetik alan tek kutuplu sensörler için serbest bırakma noktasının altına düşürülmeli veya iki kutuplu sensörler için manyetik kuzey kutbuna (negatif gauss) maruz bırakılmalıdır.Daha büyük akım yüklerini değiştirmek için Hall Etkisi Sensörünün çıkışı gerekliyse, LED daha büyük bir güç transistörüyle değiştirilebilir.

HALL ETKİSİ SENSÖRÜ NEDİR SONUÇ :

Bugün Hall Etkisi Sensörü nedir adlı yazımızı sizlerle paylaştık.Umuyorum faydalı bilgiler edinmişsinizdir.

İyi Çalışmalar