سنسور جریان اثر هال و کاربردهای ‌آن

مقدمه سنسور جریان

جهت مشاهده انواع مختلف ترانسدیوسر و سنسور جریان اینجا کلیک کنید.

سنسورهای مغناطیسی یا سنسور جریان، اطلاعات مغناطیسی یا کدها را به صورت مغناطیسی برای پردازش در مدارهای الکترونیک به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.

این سنسورها، نوعی از قطعات حالت جامد هستند که روز به روز به محبوبیت آنها افزوده می‌شود. زیرا می‌توان آنها را در اشکال مختلف و برای کاربردهای متفاوت ساخت. مانند سنسور  تشخیص مکان، تشخیص سرعت یا تشخیص حرکت جهت‌دار. همچنین این سنسورها، برای طراحان الکترونیک،‌ انتخاب مناسبی هستند. زیرا هزینه نگهداری پایین و طراحی مطمئن دارند. این سنسورها نسبت به فضای اطراف خود، عایق هستند. بنابراین نسبت به لرزش و گرد و غبار و آب حساسیت ندارند.

به طور مثال می توانند به عنوان سنسور جریان برای اندازه گیری جریان استفاده شوند. یکی از کاربردهای اساسی این نوع سنسورها، اندازه‌گیری مکان، فاصله و سرعت در سیستم‌های مربوط به وسایل نقلیه است. برای مثال، شمع خودرو برای جرقه‌زنی نیاز به اطلاعات مکان زاویه‌ای میل‌لنگ موتور دارد. یک سنسور اثر هال به محاسبه این اطلاعات می‌پردازد. محل صندلی و کیسه هوای خودرو با سنسور اثر هال، کنترل می‌شود. به عنوان مثالی دیگر، تشخیص سرعت حرکت ماشین برای فعال شدن سیستم ضد قفل (ABS) بر عهده این سنسور است. سنسورهای مغناطیسی برای تشخیص میدانهای مغناطیسی در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شوند.

سنسور اثر هال دستگاهی است که با اعمال میدان مغناطیسی، فعال می‌شود. می‌دانیم میدان مغناطیسی دو مشخصه مهم دارد. یکی چگالی شار مغناطیسی (B) و دیگری قطبیت (قطب شمال و جنوب). سیگنال خروجیِ سنسور اثر هال، تابعی از چگالی میدان مغناطیسی اعمال شده به سنسور است. هنگامی که چگالی شار مغناطیسی اطراف سنسور، از یک آستانه مشخص عبور کند، سنسور این موضوع را تشخیص می‌دهد و یک ولتاژ خروجی به نام ولتاژ هال “hall voltage“تولید می‌کند.

اصول عملکرد سنسور اثر هال

سنسور یا حسگر اثر هال از یک ماده نیمه‌ هادی مستطیلی نوع p مانند گالیم آرسناید (GaAs)، ایندیم آنتیمونید (InSb) یا ایندیم آرسناید (InAs) تشکیل می شود. یک جریان به صورت پیوسته از این ماده می‌گذرد. هنگامی که سنسور، در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، خطوط شار مغناطیسی، نیرویی به نیمه‌هادی اعمال می‌کند. این نیرو، باعث جهت‌گیری حامل‌های بار موجود در نیمه‌هادی (یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها) به دو طرف تیغه می‌شود. حرکت حامل‌های بار، نتیجه نیروی مغناطیسیِ وارده به آنها است.

به دلیل تجمع حامل‌های بار در دو طرف تیغه، یک اختلاف پتانسیل بین دو طرف نیمه هادی ایجاد می‌شود. پدیده تولید ولتاژ در دو طرف نیمه‌هادی (ناشی از میدان مغناطیسی)، «اثر هال» (The Hall Effect) نام دارد. اصل فیزیکی که باعث این پدیده می‌شود نیروی لورنتس است. برای تولید این اختلاف پتانسیل در ماده، خطوط شار مغناطیسی باید بر جهت جریان متعامد و قطبش (پلاریته) آن مناسب باشد. در حالت کلی، قطب جنوب آهنربا باید بر جهت جریان عمود باشد.

اثر هال به قطب مغناطیسی آهنربا و شدت میدان مغناطیسیِ اعمالی، بستگی دارد. برای مثال، استفاده از قطب جنوب برای فعال کردن سنسور، باعث ایجاد اختلاف ولتاژ می‌شود. این اختلاف ولتاژ‌ قابل اندازه‌گیری است. اما استفاده از قطب شمال هیچ اختلاف ولتاژی ایجاد نمی‌کند. یعنی باعث حرکت حامل‌های بار نمی‌شود. در کل، سنسورها و کلیدهای اثر هال برای حالت «خاموش» (شرایط مدار باز) ساخته می‌شوند. در این حالت، میدان مغناطیسی وجود ندارد. تنها در حالتی که میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی باشد و پلاریزاسیون آن نیز صحیح باشد، سنسور فعال می شود و به اصطلاح کلید به حالت روشن (شرایط مدار بسته) تغییر وضعیت می‌دهد.

سنسور مغناطیسی اثر هال

ولتاژ خروجی که به نام ولتاژ هال (V_H) شناخته می‌شود، با شدت میدان مغناطیسی متعامد بر نیمه‌هادی، رابطه مستقیمی دارد. ولتاژ خروجی این سنسور وقتی که در معرض میدان مغناطیسی مناسب قرار می گیرد، معمولا از چند میکروولت بیشتر نمی‌شود.به همین دلیل، اغلب سنسورهای اثر هال برای ارتقای حساسیت سنسور و کاهش خطای ناشی از تلفات هیسترزیس و ولتاژ مطلوب خروجی، تمهیداتی دارند. مثلا از آمپلی فایر داخلی، مدارات منطقی برای سوییچینگ و تنظیم ولتاژ بهره می برند. به این صورت می‌توان حساسیت سنسور را برای اندازه‌های مختلف میدان مغناطیسی و شرایط مختلف تغذیه تنظیم کرد.

خروجی سنسور اثر هال، ‌می تواند دیجیتال یا خطی باشد. در سنسورهای آنالوگ خروجی سنسور مستقیما به یک آمپلی فایر متصل است و سیگنال نیز مطابق شکل زیر از خروجی آمپلی فایر دریافت می‌شود.

در این حالت ولتاژ خروجی به صورت مستقیم، با میدان مغناطیسی عبوری از سنسور متناسب است. ولتاژ خروجی هال به صورت زیر بیان می‌شود:

V(H) = R(H) \Big( \frac{I}{t} \times B \Big)

که در آن:

V_H ولتاژ هال با واحد ولت است.

R_H ضریب اثر هال است.

I جریان عبوری از سنسور با واحد آمپر است.

t ضخامت سنسور با واحد میلی‌متر است.

B چگالی شار مغناطیسی با واحد تسلا است.

ادامه سنسور جریان مغناطیسی اثر هال

همچنین در سنسورهای دیجیتال، از «اشمیت تریگر» استفاده می‌شود. اشمیت تریگر، یک مدار فعال است که سیگنال ورودی آنالوگ را به سیگنال خروجی دیجیتال تبدیل می‌کند. در این مدار، وقتی ولتاژ ورودی از آستانه مشخصی فراتر رود، ولتاژ خروجی، یک ولت خواهد بود. یعنی کلید در وضعیت «روشن» (ON) قرار می‌گیرد. وقتی ولتاژ ورودی از مقدار آستانه کمتر باشد، ولتاژ خروجی این مدار صفر ولت خواهد بود. یعنی کلید در وضعیت «خاموش» (OFF) قرار می‌گیرد. هنگامی که این سنسور در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد یا میدان مغناطیسی حذف می‌شود، به دلیل وجود مدار اشمیت تریگر، هیچ نوسانی در مدار خروجی سنسور مشاهده نمی‌شود.

دو نوع اصلی از سنسور اثر هال دیجیتال وجود دارد. یکی «دوقطبی» (Bipolar) و دیگری «تک قطبی» (Unipolar). سنسورهای دیجیتالِ دوقطبی برای فعال شدن، به میدان مغناطیسی مثبت و برای غیر فعال شدن، به میدان مغناطیسی منفی نیاز دارند. در حالی که سنسورهای تک قطبی،‌ با قرار گرفتن در معرض قطب جنوب آهنربا فعال می‌شوند. اگر آهنربا را از طرف قطب جنوب از سنسور دور کنیم، سنسور غیرفعال خواهد شد و احتیاجی به قطب شمال آهنربا نیست.

کلیدهایی که با سنسور اثر هال کار می‌کنند، توانایی کلیدزنی برای داشتن خروجی با جریان الکتریکی بزرگ را ندارند، زیرا توانایی آنها محدود است. جریان خروجی این مدارها کوچک و در حدود ۱۰ تا ۲۰ میلی آمپر است. برای داشتن جریان‌های الکتریکی بزرگ در خروجی از یک تقویت‌کننده استفاده می‌شود.

این ترانزیستور مثل کلید NPN عمل می‌کند. هرگاه، چگالی شار مغناطیسی اعمالی به سنسور، از مقدار آستانه بالاتر رود، کلید، خروجی را زمین می‌کند. این ترانزیستور را می‌توان به صورت کلکتور باز یا به صورت امیتر باز استفاده کرد. به این ترتیب، یک مدار تقویت‌کننده پوش – پول داریم. حال می‌توان این سنسور را به بارهایی با جریان بالا مانند رله، … وصل کرد.

 

کاربردهای سنسور اثر هال

سنسور اثر هال با میدان مغناطیسی فعال می‌شود. در بسیاری از کاربردها، سنسور به همراه یک آهنربای دائم روی یک استوانه متحرک قرار می‌گیرد. حرکت سنسور و آهنربا نسبت به هم می‌تواند حالت‌های متفاوتی داشته باشد. حالت‌های رو به جلو، جانبی، «پوش – پول» و «پوش – پوش» انواع مختلف حرکت سنسور و آهنربا نسبت به هم هستند. در همه این حالت‌ها، برای آنکه حداکثر حساسیت سنسور تضمین شود، خطوط شار مغناطیسی باید بر سنسور عمود باشند و قطبش آن نیز صحیح باشد (یعنی از قطب جنوب آهنربا برای فعال کردن سنسور استفاده کنیم).

همچنین برای تضمین رفتار خطی سنسور، از آهنربای قوی استفاده می‌شود. به این صورت با حرکت آهنربا، تغییر شدیدی در شدت میدان مغناطیسی عبوری از سنسور خواهیم داشت. برای تشخیص میدان مغناطیسی، سنسور و آهنربا می‌توانند وضعیت‌های مختلفی نسبت به هم داشته باشند. دو نوع معمول در سنسورهای اثر هال حرکت رو به جلو و حرکت جانبی است.

حرکت رو به جلو:

در این حالت، سنسور اثر هال و میدان مغناطیسی به صورت عمود بر هم قرار می‌گیرند. برای آنکه سنسور فعال شود، آهنربا به طور مستقیم به سمت سنسور حرکت می‌کند.

در این حالت، یک سیگنال در خروجی سنسور (V_H) ایجاد می‌شود. این ولتاژ، نشان‌دهنده آن است که شدت میدان مغناطیسی و چگالی شار مغناطیسی تابعی از فاصله آهنربا از سنسور است. هرچه آهنربا به سنسور نزدیک‌تر باشد، شدت میدان مغناطیسی بیشتر است. پس ولتاژ خروجی سنسور نیز بزرگتر خواهد بود.

حرکت جانبی:

در این حالت، حرکت آهنربا نسبت به سنسور به صورت جانبی است. این وضعیت برای حالتی مناسب است که بخواهیم فاصله بین آهنربا و سنسور را ثابت نگه داریم. مثلا در حالتی که آهنربای چرخشی داریم از این روش برای تشخیص استفاده می‌شود؛ مانند: تشخیص سرعت چرخش موتور.

سنسور مجاورتی

سنسورهای اثر هال به طور خاص به عنوان «سنسور مجاورتی» (Proximity sensor) نیز کاربرد دارند. در شرایطی که محیط خاص داریم، مثل مجاورت با آب، گرد و خاک، لرزش یا روغن، از این سنسورها به جای سنسور نوری استفاده می‌شود. مثال مناسب این محیط خاص، داخل سیستم خودرو است. همچنین سنسور اثر هال را برای اندازه‌گیری جریان نیز می‌توان به کار برد.

از آموزش‌های قبلی می‌دانیم وقتی یک جریان از هادی عبوری می‌کند، یک میدان الکترومغناطیسی دایره‌ای اطراف هادی به وجود می‌آید. در این حالت بدون آنکه نیازی به ترانسفورماتور و سیم‌پیچ باشد، با قرار دادن سنسور اثر هال در نزدیکی هادی، جریان‌های الکتریکی، از چند میلی‌آمپر تا چندین هزار آمپر قابل اندازه‌گیری است.

می‌دانیم سنسورهای اثر هال برای تشخیص وجود یا عدم وجود میدان مغناطیسی یا آهنربا به کار می‌رود. همچنین می‌توان از آنها برای تشخیص مواد فرومغناطیس مثل آهن یا فولاد استفاده کرد. برای این کار، یک آهنربای دائم در نزدیکی ناحیه فعال سنسور قرار می‌گیرد تا سنسور به اصطلاح «بایاس» شود. در این حالت، سنسور در یک میدان مغناطیسی دائم و ساکن قرار می‌گیرد. حال اگر یک قطعه آهنی در کنار سنسور قرار دهیم، میدان مغناطیسی برخورد کننده به سنسور، دچار تغییر و اختلال می‌شود و سنسور وجود این قطعه آهنی را تشخیص می‌دهد. حساسیت سنسور را می‌توان حتی تا حدود چند میلی‌ولت نیز بالا برد.

 

توضیحاتی در خصوص محصولات سنسور جریان ایران هال افکت

تفاوت بین سنسور(حسگر) و مبدل (Transducer, Sensor): تفاوت بین سنسور(حسگر) و مبدل (Transducer, Sensor): 

سنسور چیست و تفاوت آن با ترانسدیوسر چیست؟،در ابتدا بایستی به تعریف سنسور بپردازیم ، بهترین تعریف برای سنسور یا حسگر بصورت زیر است:

یک حس‌گر یا سنسور (Sensor) برای تشخیص یک کمیّت فیزیکی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی استفاده می‌شود. برای مثال یک حس‌گر فشار،  (حالتی از انرژی مکانیکی) را تشخیص می‌دهد و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

( https://fa.wikipedia.org/wiki)

 اما  مُبدّل یا تِرَنسدیوسِر (به انگلیسی:  Transducer) چیزی است که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌کند. انواع انرژی شامل: انرژی الکتریکی ،مکانیکی،الکترومغناطیسی (ازجمله نور) شیمیایی، صوتی یا گرمایی است. بنابراین واژه ی مبدل برای حس‌گرها یا تبدیل‌کننده‌های انرژی استفاده می‌شود.

در اینجا هر دو واژه ی “سنسور جریان” ویا  “ترانسدیوسر جریان” برای محصولات این مجموعه بکار میرود.

برخی از سنسور های جریان پرکاربرد :

سنسور های جریان در جریان های میلی آمپر تا کیلو آمپر طراحی و تولید میگردد . برای نمونه جهت قرائت جریانهای  تقریبا بین ۱۰ الی ۱۰۰ آمپر می توان از سنسورهای جریان Acs 772  و Acs712 و Acs758 استفاده نمود.

اما این سنسور ها در اغلب موارد، قابلیت نصب بروی برد مدار چاپی دارند و برای استفاده از آنها حتما بایستی P.C.B  طراحی گردد و همچنین ایراد وارده  بر اینگونه از سنسور ها عدم استحکام فیزیکی کافی میباشد . لذا برای قرائت جریان های بین ۵۰ آمپر الی ۳۰۰ آمپر سنسور های جریان ذیل توصیه می گردد که از دقت قرائت و استحکام فیزیکی بالایی برخوردار هستند شما میتوانید اطلاعات این خانواده از سنسور ها را بصورت جداگانه دانلود نمایید . 

 

برخی از کاربردهای سنسورهای جریان، موارد رایج استفاده از سنسورهای جریان به شرح ذیل است :

باتری شارژر های صنعتی مستقر در شرکتهای مدیریت تولید نیروی برق – شرکتهای برق منطقه ای – ایستگاههای توزیع و فوق توزیع نیروی برق، در پستهای برق جهت برق دار نمودن رله های حفاظتی و همچنین سایر تجهیزات از برق ۱۱۰ ولت مستقیم استفاده میشود طبیعتا جهت ذخیره انرژی الکتریکی نیاز به باتری خانه های ۱۱۰ ولت نیز ناگزیر میباشد و این نیز مستلزم استفاده از شارژر های ۱۱۰ ولت است .در این شارژر ها معمولا دو عدد سنسور جریان در مسیر باتری و در مسیر رکتیفایر قرار میگیرد. که معمولا سنسور جریان باتری به صورت دو جهته عمل میکند . جهت آشنایی با ساختمان و نحوه عملکرد باتری شارژر های صنعتی میتوانید مقاله آشنایی با باتری شارژر های صنعتی خطی را مطالعه بفرمایید.

اینورترهای صنعتی مورد استفاده در پالایشگاهها ، و صنایع نفت و گاز و پتروشیمی و صنایع نفت و گاز، سنسور های در جریان هم در مسیر لینک dc  در ورودی هر اینورتر کاربرد دارد و هم در مسیر خروجی که شکل موج جریان بصورت ac  میباشد استفاده دارد. جهت آشنایی با ساختمان و نحوه عملکرد اینورترهای صنعتی میتوانید مقاله آشنایی با اینورترهای صنعتی را مطالعه بفرمایید.

سایر کاربرد های سنسور های جریان

• کنتور های دیجیتال خانگی و صنعتی تک فاز و سه فاز
• باتریهای صنعتی در باتری خانه ی نیروگاه ها و پستهای برق
• سیستم های سولار در نیروگاههای مقیاس کوچک و مقیاس بزرگ(در بخش AC , DC)
• رکتی فایر های ۴۸ ولت ۲۵۰ آمپر مخابراتی مربوط به اتاقهای بی تی اس (در اپراتورهای تلفن همراه از جمله همراه اول ، ایرانسل ، رایتل)
• الکتروموتور های صنعتی تک فاز و سه فاز
• شارژرهای خطوط مترو و راه آهن و صنایع ریلی ۲۴ ولت ۴۸ ولت و ۱۱۰ ولت
• دستگاه جوش خطی و سوییچینگ
• یو پی اس های صنعتی(مشتمل بر شارژرو اینورتر صنعتی)
• پروژه های مبتنی بر plc
• منابع تغذیه آزمایشگاه