홀 효과 센서
자기 센서, 특히 매우 일반적으로 사용되는 홀 효과 센서 에 대한 언급 없이는 자기에 대한 이 논의를 끝낼 수 없습니다 .
홀 효과 센서(Hall Effect Sensor)는 영구 자석이나 전자석에서 발생하는 자기장의 세기와 방향을 감지하는 데 사용할 수 있는 자기 센서의 일종으로, 감지되는 자기장의 세기에 비례하여 출력이 변화한다.
자기 센서는 전자 회로에서 처리할 수 있도록 자기 또는 자기적으로 인코딩된 정보를 전기 신호로 변환하며, 센서 및 변환기 튜토리얼에서는 유도 근접 센서와 LDVT, 솔레노이드 및 릴레이 출력 액추에이터를 살펴보았습니다.
자기 센서는 위치, 속도 또는 방향 이동 감지와 같은 다양한 유형의 응용 분야에 사용될 수 있기 때문에 점점 더 인기를 얻고 있는 고체 장치입니다.
또한 비접촉식 마모 방지 작동, 낮은 유지 관리, 견고한 설계 및 밀봉된 홀 효과 장치가 진동, 먼지 및 물에 대한 내성이 있기 때문에 전자 설계자에게 인기 있는 센서입니다.
자기 센서의 주요 용도 중 하나는 위치, 거리 및 속도를 감지하는 자동차 시스템입니다. 예를 들어 점화 플러그의 점화 각도를 위한 크랭크 샤프트의 각도 위치, 에어백 제어를 위한 카시트 및 안전 벨트의 위치 또는 잠김 방지 제동 시스템(ABS)의 휠 속도 감지 등이 있습니다.
자기 센서는 다양한 응용 분야에서 광범위한 양의 자기장과 음의 자기장에 반응하도록 설계되었으며 출력 신호가 주변 자기장 밀도의 함수인 자석 센서의 한 유형을 홀 효과 센서라고 합니다.
홀 효과 센서는 외부 자기장에 의해 활성화되는 장치입니다. 우리는 자기장이 두 가지 중요한 특성인 자속 밀도( B )와 극성(북극과 남극)을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다.
홀 효과 센서의 출력 신호는 장치 주변의 자기장 밀도의 함수입니다. 센서 주변의 자속 밀도가 사전 설정된 특정 임계값을 초과하면 센서가 이를 감지하고 홀 전압(V H ) 이라는 출력 전압을 생성합니다 . 아래 다이어그램을 고려하십시오.
홀 효과 센서 원리
홀 효과 센서는 기본적으로 갈륨 비소(GaAs), 인듐 안티몬화물(InSb) 또는 인듐 비소(InAs)와 같은 직사각형 p형 반도체 재료의 얇은 조각으로 구성되어 자체적으로 연속 전류를 전달합니다.
장치가 자기장 내에 배치되면 자속선이 반도체 재료에 힘을 가하여 전하 캐리어, 전자 및 정공을 반도체 슬래브의 양쪽으로 편향시킵니다. 전하 캐리어의 이러한 움직임은 반도체 물질을 통과하는 자기력의 결과입니다.
이러한 전자와 정공이 측면으로 이동함에 따라 이러한 전하 캐리어의 축적으로 인해 반도체 재료의 양면 사이에 전위차가 생성됩니다. 그런 다음 반도체 재료를 통한 전자의 이동은 직각인 외부 자기장의 존재에 의해 영향을 받으며 이 효과는 평평한 직사각형 모양의 재료에서 더 큽니다.
자기장을 이용하여 측정 가능한 전압을 생성하는 효과를 1870년대 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과 의 기본 물리적 원리는 로렌츠 힘(Lorentz force)을 따서 홀 효과(Hall Effect)라고 합니다. 장치 전체에 전위차를 생성하려면 자속선이 전류 흐름에 수직(90 ° )이어야 하며 올바른 극성(일반적으로 남극)이어야 합니다.
홀 효과는 자극 유형과 자기장의 크기에 관한 정보를 제공합니다. 예를 들어, 남극에서는 장치가 전압 출력을 생성하지만 북극에서는 아무런 영향을 미치지 않습니다. 일반적으로 홀 효과 센서와 스위치는 자기장이 없을 때 "OFF"(개방 회로 조건) 상태가 되도록 설계됩니다. 충분한 강도와 극성의 자기장이 가해질 때만 "ON"(폐쇄 회로 조건)으로 전환됩니다.
홀 효과 자기 센서
기본 홀 소자의 홀 전압( V H )이라고 불리는 출력 전압은 반도체 물질을 통과하는 자기장의 세기(출력 ∝ H)에 정비례합니다.
이 출력 전압은 매우 작을 수 있으며 강한 자기장에 노출되는 경우에도 몇 마이크로볼트에 불과하므로 대부분의 상용 홀 효과 장치는 센서 감도, 히스테리시스 및 출력을 향상시키기 위해 내장형 DC 증폭기, 논리 스위칭 회로 및 전압 조정기로 제조됩니다. 전압.
또한 이를 통해 홀 효과 센서는 더 넓은 범위의 전원 공급 장치 및 자기장 조건에서 작동할 수 있습니다.
홀 효과 센서
홀 효과 센서는 선형 또는 디지털 출력으로 사용할 수 있습니다. 선형(아날로그) 센서의 출력 신호는 연산 증폭기의 출력에서 직접 가져오며 출력 전압은 홀 센서를 통과하는 자기장에 정비례합니다. 이 출력 홀 전압은 다음과 같이 주어진다.
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선형 또는 아날로그 센서는 강한 자기장이 있으면 증가하고 약한 자기장이 있으면 감소하는 연속 전압 출력을 제공합니다. 선형 출력 홀 효과 센서에서는 자기장의 강도가 증가함에 따라 증폭기의 출력 신호도 전원 공급 장치에 의해 부과된 제한에 의해 포화되기 시작할 때까지 증가합니다. 자기장의 추가 증가는 출력에 영향을 미치지 않지만 출력을 더욱 포화 상태로 만듭니다.
반면 디지털 출력 센서에는 연산 증폭기에 연결된 히스테리시스가 내장된 슈미트 트리거가 있습니다. 홀 센서를 통과하는 자속이 사전 설정된 값을 초과하면 장치의 출력은 어떤 유형의 접촉 바운스 없이 "OFF" 상태에서 "ON" 상태로 빠르게 전환됩니다.
이 내장된 히스테리시스는 센서가 자기장 안팎으로 움직일 때 출력 신호의 진동을 제거합니다. 그러면 디지털 출력 센서에는 "ON"과 "OFF"의 두 가지 상태만 있습니다.
디지털 홀 효과 센서에는 양극형 과 단극형 의 두 가지 기본 유형이 있습니다 . 양극성 센서는 이를 작동시키기 위해 양의 자기장(남극)이 필요하고 이를 방출하기 위해 음의 자기장(북극)이 필요한 반면, 단극성 센서는 자기장 안팎으로 움직일 때 작동하고 방출하기 위해 단일 자기 남극만 필요합니다. 필드.
대부분의 홀 효과 장치는 출력 구동 기능이 10~20mA 정도로 매우 작기 때문에 큰 전기 부하를 직접 전환할 수 없습니다. 큰 전류 부하의 경우 오픈 컬렉터(전류 싱킹) NPN 트랜지스터가 출력에 추가됩니다.
이 트랜지스터는 포화 영역에서 적용된 자속 밀도가 "ON" 사전 설정 지점보다 높을 때마다 출력 단자를 접지로 단락시키는 NPN 싱크 스위치로 작동합니다.
출력 스위칭 트랜지스터는 개방형 이미터 트랜지스터, 개방형 컬렉터 트랜지스터 구성 또는 둘 다 릴레이, 모터, LED 및 램프를 비롯한 많은 부하를 직접 구동하기에 충분한 전류를 싱크할 수 있는 푸시풀 출력 유형 구성을 제공할 수 있습니다.
홀 효과 애플리케이션
홀 효과 센서는 자기장에 의해 활성화되며 많은 응용 분야에서 장치는 움직이는 샤프트 또는 장치에 부착된 단일 영구 자석에 의해 작동될 수 있습니다. 움직임을 감지하는 "정면", "옆", "푸시-풀" 또는 "푸시-푸시" 등과 같은 다양한 유형의 자석 움직임이 있습니다.
모든 유형의 구성이 사용되는 최대 감도를 보장하려면 자속의 자기선이 항상 장치의 감지 영역에 수직이어야 하며 올바른 극성이어야 합니다.
또한 선형성을 보장하려면 필요한 움직임에 대해 자기장 강도를 크게 변화시키는 높은 자기장 강도의 자석이 필요합니다. 자기장을 감지하는 데는 여러 가지 가능한 모션 경로가 있으며, 아래에는 단일 자석을 사용하는 가장 일반적인 두 가지 감지 구성인 정면 감지 와 측면 감지가 있습니다 .
정면 탐지
이름에서 알 수 있듯이 "정면 감지"에서는 자기장이 홀 효과 감지 장치에 수직이어야 하며 감지를 위해서는 활성 면을 향해 센서에 직선으로 접근해야 합니다. 일종의 "정면" 접근 방식입니다.
이러한 정면 접근 방식은 선형 장치에서 홀 효과 센서로부터 떨어진 거리의 함수로서 자기장의 강도, 자속 밀도를 나타내는 출력 신호 VH 를 생성합니다. 자기장이 가까울수록 강할수록 출력 전압은 커지고 그 반대도 마찬가지입니다.
선형 장치는 양의 자기장과 음의 자기장을 구별할 수도 있습니다. 비선형 장치는 위치 감지를 표시하기 위해 자석으로부터 미리 설정된 공극 거리에서 출력 "ON"을 트리거하도록 만들 수 있습니다.
옆으로 감지
두 번째 감지 구성은 "측면 감지"입니다. 이를 위해서는 홀 효과 요소의 면을 가로질러 자석을 옆으로 움직여야 합니다.
옆으로 또는 슬라이드 바이 감지는 고정된 공극 거리 내에서 홀 요소의 표면을 가로질러 이동할 때 자기장의 존재를 감지하는 데 유용합니다(예: 회전 자석 수 또는 모터 회전 속도 계산).
센서의 제로 필드 중심선을 통과하는 자기장의 위치에 따라 양의 출력과 음의 출력을 모두 나타내는 선형 출력 전압이 생성될 수 있습니다. 이를 통해 수직 및 수평 방향 움직임 감지가 가능합니다.
홀 효과 센서, 특히 근접 센서 에는 다양한 응용 분야가 있습니다 . 자동차 애플리케이션과 같이 물, 진동, 먼지 또는 기름으로 구성된 환경 조건에서는 광학 및 광 센서 대신 사용할 수 있습니다. 홀 효과 장치는 전류 감지에도 사용할 수 있습니다.
우리는 이전 튜토리얼을 통해 전류가 도체를 통과할 때 그 주위에 원형 전자기장이 생성된다는 것을 알고 있습니다. 홀 센서를 도체 옆에 배치하면 크거나 값비싼 변압기 및 코일을 사용하지 않고도 생성된 자기장에서 몇 밀리암페어에서 수천 암페어까지의 전류를 측정할 수 있습니다.
홀 효과 센서는 자석과 자기장의 유무를 감지할 뿐만 아니라 장치의 활성 영역 뒤에 작은 영구 "바이어스" 자석을 배치하여 철이나 강철과 같은 강자성 물질을 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이제 센서는 영구 정자기장에 위치하며, 철 재료의 도입으로 인한 이 자기장의 변화나 교란은 가능한 한 mV/G의 낮은 감도로 감지됩니다.
디지털이든 선형이든 장치 유형에 따라 홀 효과 센서를 전기 및 전자 회로에 연결하는 방법은 다양합니다. 매우 간단하고 구성하기 쉬운 예 중 하나는 아래와 같이 발광 다이오드를 사용하는 것입니다.
위치 검출기
이 정면 위치 감지기는 자기장이 없으면 "OFF" 상태가 됩니다(0가우스). 영구 자석 남극(양의 가우스)이 홀 효과 센서의 활성 영역을 향해 수직으로 이동하면 장치가 "ON"으로 바뀌고 LED가 켜집니다. 일단 "ON"으로 전환되면 홀 효과 센서는 "ON"을 유지합니다.
장치를 켜서 LED를 "OFF"시키려면 자기장이 단극 센서의 경우 릴리스 지점 아래로 감소되어야 하고 양극 센서의 경우 자기 북극(음의 가우스)에 노출되어야 합니다. 더 큰 전류 부하를 전환하기 위해 홀 효과 센서 의 출력이 필요한 경우 LED를 더 큰 전력 트랜지스터로 교체할 수 있습니다 .