Cảm biến hiệu ứng hall
Cảm biến hiệu ứng Hall phát hiện cường độ từ trường và hướng của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Đầu ra của cảm biến hiệu ứng Hall là một chức năng của từ trường và có thể phát hiện từ trường dương cũng như âm.
Nguyên lý làm việc của cảm biến hiệu ứng Hall
Từ trường bên ngoài kích hoạt cảm biến hiệu ứng Hall. Từ trường được biểu diễn bằng mật độ từ thông (B) và theo các cực từ của nó, chẳng hạn như cực Bắc hoặc cực Nam. Từ tính xung quanh cảm biến hiệu ứng Hall xác định tín hiệu đầu ra của nó. Khi mật độ từ thông xung quanh vượt quá giá trị ngưỡng xác định trước, cảm biến sẽ tạo ra điện áp Hall, VH.
Cảm biến bán dẫn là chất bán dẫn loại p như gallium arsenide (GaAs), indium arsenide (InAs) và indium antimonide (InSb) dẫn dòng điện một chiều. Vật liệu bán dẫn chịu tác dụng của một lực khi có từ trường, làm cho cả electron cũng như lỗ trống di chuyển sang các phía của lớp bán dẫn. Khi các electron và lỗ trống di chuyển sang hai phía, một hiệu điện thế sẽ xuất hiện giữa các phía khác nhau của chất bán dẫn. Trong vật liệu hình chữ nhật phẳng, từ trường bên ngoài vuông góc với vật liệu bán dẫn có ảnh hưởng lớn hơn đến độ linh động của điện tử.
Hiệu ứng Hall cho thấy loại cực từ và cường độ trường của nó. Ví dụ, có điện áp ở một cực của nam châm nhưng không có điện áp ở cực kia. Cảm biến hiệu ứng Hall thường “tắt” và hoạt động giống như mạch hở khi không có từ trường. Chúng chỉ đóng lại dưới một từ trường phân cực mạnh (mạch kín).
Đặc điểm cảm biến từ trường hiệu ứng Hall
Điện áp hội trường (V H ) của cảm biến hiệu ứng Hall là một hàm của cường độ từ trường (H). Hầu hết các thiết bị hiệu ứng hội trường thương mại đều bao gồm bộ khuếch đại DC, mạch logic chuyển mạch và bộ điều chỉnh điện áp để cải thiện độ nhạy của cảm biến và điện áp đầu ra. Điều này cho phép cảm biến hiệu ứng Hall xử lý nhiều năng lượng và từ trường hơn.
Sơ đồ mạch cảm biến từ trường hiệu ứng Hall
Các cảm biến bán chủ động có đầu ra tuyến tính hoặc kỹ thuật số. Điện áp đầu ra của cảm biến tuyến tính liên quan trực tiếp đến từ trường chạy qua cảm biến Hall và được đầu ra bởi bộ khuếch đại hoạt động.
Phương trình điện áp hiệu ứng Hall
Phương trình điện áp đầu ra được cho bởi:
Ở đây, V. H biểu thị điện áp hội trường, R H biểu thị hệ số hiệu ứng Hall, I biểu thị dòng điện, t biểu thị độ dày và B là viết tắt của mật độ từ thông. Cảm biến tuyến tính hoặc tương tự tạo ra điện áp không đổi, tăng khi từ trường mạnh hơn và giảm khi từ trường yếu hơn. Trong cảm biến hiệu ứng Hall, khi cường độ từ trường tăng lên, tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại sẽ tăng cho đến khi nguồn điện bão hòa. Từ trường tăng làm cho đầu ra bão hòa nhưng không có tác dụng:
Khi đầu ra của cảm biến Hall vượt quá mức từ thông định trước chạy qua nó, các tiếp điểm sẽ nhanh chóng chuyển từ trạng thái “đóng” sang trạng thái “mở” mà không bị nảy. Độ trễ tích hợp này ngăn tín hiệu đầu ra dao động khi cảm biến di chuyển vào từ trường. Điều này có nghĩa là cảm biến đầu ra kỹ thuật số chỉ có trạng thái “bật” và “tắt”.
Các loại cảm biến hiệu ứng Hall
Cảm biến hiệu ứng Hall có thể có hai loại: cảm biến hiệu ứng Hall lưỡng cực và cảm biến hiệu ứng Hall đơn cực. Cảm biến đơn cực có thể hoạt động và phóng điện khi vào và ra khỏi từ trường có cùng cực nam từ, trong khi cảm biến lưỡng cực yêu cầu cả từ trường dương và âm để hoạt động và phóng điện. Do khả năng điều khiển đầu ra 10-20mA, hầu hết các thiết bị hiệu ứng Hall không thể chuyển đổi trực tiếp tải dòng điện cao. Đối với các tải dòng điện nặng, một bóng bán dẫn NPN được thêm vào đầu ra với sự bố trí bộ thu mở.
Ứng dụng của cảm biến hiệu ứng Hall
Cảm biến hiệu ứng Hall được BẬT khi có từ trường và chúng được điều khiển bằng một loại nam châm vĩnh cửu duy nhất trên trục hoặc thiết bị chuyển động. Để tối đa hóa độ nhạy, các đường từ thông phải vuông góc với trường cảm biến và có độ phân cực chính xác trong tất cả các cấu hình.
1: Phát hiện trực tiếp
Nó đòi hỏi từ trường phải vuông góc với máy dò hiệu ứng Hall, như hình dưới đây:
Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu đầu ra, V H , đo mật độ từ thông trong các thiết bị tuyến tính dưới dạng hàm của khoảng cách từ cảm biến hiệu ứng Hall. Điện áp đầu ra tăng theo cường độ từ trường và độ gần của nó.
2: Phát hiện đi ngang
Nó đòi hỏi một từ thông gián tiếp trong khi nam châm di chuyển ngang qua phần tử hiệu ứng hội trường.
Các cảm biến bên hoặc di động có thể đo tốc độ quay của nam châm hoặc động cơ bằng cách phát hiện từ trường trượt trên bề mặt của phần tử Hall ở một khoảng cách nhất định so với khe hở không khí.
Điện áp đầu ra tuyến tính dương hoặc âm có thể được tạo ra tùy thuộc vào vị trí của từ trường đi qua đường tâm trường không của cảm biến. Nó xác định các chuyển động theo chiều dọc và chiều ngang.
3: Kiểm soát vị trí
Bộ dò vị trí vẫn ở trạng thái “tắt” khi không có từ trường. Ngay khi cực nam của nam châm di chuyển theo hướng vuông góc với vùng lân cận của cảm biến hiệu ứng Hall, thiết bị sẽ “bật” và đèn LED phát sáng. Khi bật nguồn, cảm biến hiệu ứng Hall ở trạng thái “BẬT”.
Để tắt đèn LED, từ trường phải giảm xuống dưới điểm kích hoạt tối thiểu có thể phát hiện được hoặc nó cũng có thể chạm vào cực bắc đối diện có giá trị gauss âm.
Phần kết luận
Cảm biến hiệu ứng Hall được sử dụng để phát hiện hướng cũng như cường độ của từ trường. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm ô tô, cảm biến tiệm cận, phát hiện trực diện, ngang và phát hiện vị trí cho các từ trường khác nhau.