Hall etkisi sensörü

Hall etkisi sensörü (veya Hall sensörü veya Hall probu), herbiri Hall etkisi’ni (fizikçi Edwin Hall'un adıyla anılır) kullanan manyetik alan vektörü B'nin eksenel bileşeniyle orantılı voltaj üreten bir veya daha çok Hall elemanlı sensördür.

Hall sensörleri yakınlık algılama, konumlandırma, hız ölçme ve akım algılama uygulamalarında^[1] kullanılır ve endüstriyel ve tüketici uygulamalarında yaygındır. Her yıl yüz milyonlarca Hall sensör entegre devresi (IC) ~50 üretici tarafından^[2] yaklaşık bir milyar dolar civarında küresel pazarda satılır.^[3]

Bir Hall sensöründe, Hall elemanı dönüştürücüsü denilen ince metal şeridin ekseninde sabit bir DC öngerilim akımı^[4] uygulanır. Hall elemanının karşıt taraflarında başka bir eksende bulunan algılama elektrotları, elektrotların ekseni boyunca elektrik potansiyel (voltaj) farkını ölçer. Akım yük taşıyıcıları, akışlarına dik bir manyetik alanın varlığında Lorentz kuvveti tarafından saptırılır. Algılama elektrotları, "hem" akımın eksenine hem de algılama elektrotlarının eksenine dik olan manyetik alanın eksenel bileşeniyle orantılı potansiyel farkını (Hall voltajı) ölçer.^[5]

Hall etki sensörleri statik ve değişen manyetik alanlara yanıt verir. Endüktif sensörler bunun yerine yalnızca alanlardaki değişikliklere yanıt verir.

Hall etkisi cihazları çok düşük bir sinyal seviyesi oluşturur ve bu nedenle amplifikasyon gerektirir. Laboratuvar cihazları için uygun olmasına rağmen, 20. yüzyılın ilk yarısında mevcut olan vakum tüpü amplifikatörleri çok pahalıydı ve güç tüketiyordu ve günlük uygulamalar için güvenilmezdi. Hall etkisi sensörünün toplu uygulama için uygun hale gelmesi ancak az maliyetli entegre devre'nin geliştirilmesiyle oldu. Günümüzde Hall sensörleri olarak satılan cihazlar, yukarıda açıklandığı gibi hem sensörü hem de tek pakette yüksek kazançlı entegre devre (IC) amplifikatörünü içerir. Bu Hall sensör IC'leri geniş bir besleme voltajı aralığında çalışmaya imkan vermek ve manyetik alan bileşeniyle orantılı uygun bir analog sinyal çıkışı için Hall gerilimini artırmak için amplifikatör'e ek olarak kararlı bir voltaj regülatörü de içerebiilir.^[4] Bazı durumlarda doğrusal devre, Hall sensörlerinin ofset voltajını iptal edebilir. Ayrıca, sürüş akımının AC modülasyonu da bu ofset voltajının etkisini azaltabilir.

Hall sensörleri, çıktılarının yük manyetik alan kuvvetiyle orantılı olması durumunda lineer (doğrusal) olarak adlandırılır. Bu çıkış sinyali analog voltaj, darbe genişlik modülasyonu (PWM) sinyali olabilir veya modern bir veri yolu protokolü üzerinden dijital olarak iletilebilir.^[6] Hall sensörleri, hassasiyetleri aynı zamanda besleme voltajıyla da orantılıysa oransal da olabilirler. Hiçbir manyetik alan uygulanmadığında, hareketsiz çıkış voltajı genellikle besleme voltajı/2 olur.^[7] Raydan raya çıkışlı olabilirler (örn. A1302).^[8]

Hall elemanı analog bir cihaz olmasına rağmen, Hall anahtarı IC'leri genellikle ikili dijital sinyal veren iki durumlu (açık ve kapalı) bir elektronik anahtar oluşturmak için ayrıca eşik algılama devresi de içerir.

Çıkışları, farklı besleme voltajlarını kullanan IC'lerle uyumluluk için açık kollektör NPN transistörleri (veya açık drenaj n tipi MOSFET'ler) olabilir.^[4] Hall sensörü sinyal çıkış kablosunda bir voltaj üretilmesi yerine, sinyal çıkış kablosu üzerinden toprağa devre yapan çıkış transistör akımı iletir.

Sensör gürültüsüne karşı sağlam temiz bir dijital çıkış sağlamak için Schmitt tetikleyici filtreleme uygulanabilir (veya IC'ye entegre edilebilir). Anahtarlama için histerezis eşikleri (B_OP ve B_RP olarak belirtilir), dijital Hall IC'lerini bazen mandal olarak adlandırılabilecek tek kutuplu (unipolar) anahtarlar,^[9] çok kutuplu (omnipolar) anahtarlar^[10] veya bipolar anahtarlar^[11] olarak sınıflandırır.^[12] Unipolar (örn. A3144),^[13] manyetik alanın yalnızca bir polaritesinde anahtarlama eşiklerine sahip olmayı ifade eder. Omnipolar anahtarların hem pozitif hem de negatif kutuplar için iki anahtarlama eşik seti vardır ve bu nedenle güçlü bir pozitif ve/veya güçlü bir negatif manyetik alanla çalışırlar.

Bipolar anahtarlarda pozitif B_OP ve negatif B_RP bulunur (ve dolayısıyla çalışması için hem pozitif hem de negatif manyetik alanlar gerekir). B_OP ve B_RP arasındaki fark, bir durumda çok daha uzun süre kalan (yani son değerlerine kilitlenen) ve durumları değiştirmek için bipolar anahtarların gerektirdiğinden daha önemli alan gücüne gerek duyan, mandal denilen bipolar anahtarlar için daha büyük olma eğilimindedir. "Bipolar" ve "mandal" arasındaki adlandırma ayrımı biraz keyfi olabilir. Örneğin Honeywell SS41F'ün ^[14] veri sayfası bunu "bipolar" olarak tanımlarken, başka bir üretici SS41F'i^[15] karşılaştırılabilir özelliklerle "mandal" olarak tanımlar.

Hall elemanları, manyetik alan vektörünün yalnızca algılama ekseni bileşenini ölçer. Bu eksenel bileşen pozitif veya negatif olabileceğinden bazı Hall sensörleri eksenel bileşen büyüklüğüne ek olarak ikili yönü de algılayabilir. 2 boyutlu bir yönü belirlemek için ek bir dikey yönelimli Hall elemanı (örneğin Çift Hall sensör IC'leri) dahil edilmelidir ve manyetik alan vektörünün tam 3 boyutlu bileşenlerini algılamak için başka bir dikey yönelimli Hall öğesi eklenmelidir.

Hall sensörü IC'leri katı hâl cihazları olduğundan mekanik aşınmadan etkilenmezler. Böylece, mekanik sensörlerden çok daha yüksek hızlarda çalışabilirler ve ömürleri (potansiyometre'ler, elektromekanik reed anahtarlar,^[16] röle'ler veya diğer mekanik anahtar'lar ve sensörlerin aksine) mekanik arızalarla sınırlı değildir. Ancak, Hall sensörleri çevre koşullarındaki değişiklikler nedeniyle ısıl kaymaya ve sensörün ömrü boyunca zaman kaymasına eğilimli olabilir.^[17] Hall etkili cihazlar (uygun şekilde paketlendiğinde) toza, kire, çamura ve suya karşı dayanıklıdır. Bu özellikler, Hall etkili cihazları konum algılama açısından optik ve elektromekanik algılama gibi alternatif araçlara göre daha iyi yapar.

Pratik Hall sensörlerinin bant genişliği yüzlerce kilohertz ile, ticari silisyum olanlar ise genellikle 10–100 kHz ile sınırlıdır. 2016 yılı itibarıyla piyasadaki en hızlı Hall sensörün bant genişliği 1 MHz'dir ancak standart dışı yarı iletkenler kullanır.^[18]

Çevreden gelen manyetik akı (diğer teller gibi), Hall probunun algılamayı amaçladığı alanı azaltabilir veya arttırabilir, bu da sonuçların hatalı olmasına neden olabilir. Hall sensörleri Dünya'nınki de dahil olmak üzere parazitli manyetik alanları kolayca belirleyebilir, dolayısıyla elektronik pusulalar kadar iyi çalışırlar: ancak bu aynı zamanda bu tür parazitli alanların küçük manyetik alanların doğru ölçümlerini engelleyebileceği anlamına da gelir. Bu sorunu çözmek için Hall sensörleri genellikle bir tür manyetik korumayla entegre edilir. Bunun yerine, elektromanyetik sistemdeki mekanik konumlar, optik konum kodlayıcılar (örneğin mutlak ve artımlı kodlayıcı'lar) ve bir transformatör'e yerleştirilen metal çekirdek miktarının hareket ettirilmesiyle indüklenen voltaj kullanılarak Hall etkisi olmadan da ölçülebilir. Hall, ışığa duyarlı yöntemlerle karşılaştırıldığında Hall ile mutlak konum elde etmek daha zordur.

Tek bir Hall elemanı dış manyetik alanlara duyarlı olsa da, iki Hall elemanının diferansiyel biçimi, diferansiyel sinyalleme kullanılarak ortak mod voltaj sinyallerinin silinmesine benzer şekilde, ölçümlerden^[19] parazitli manyetik alanları silebilir.

Aşağıdaki malzemeler Hall etkisi sensörleri için özellikle uygundur:^[20]

• Galyum arsenür (GaAs)
• İndiyum arsenür (InAs)
• İndiyum fosfit (InP)
• İndiyum antimonid (InSb)
• Grafen

Hall etkisi sensörleri, dönme hızı sensörleri (bisiklet tekerlekleri, dişlilerin dişleri, otomotiv hız göstergeleri, elektronik ateşleme sistemleri), akışkan debi sensörleri, akım sensörleri ve basınç sensörleri gibi çeşitli sensörlerde kullanılabilir. Hall sensörleri, içten yanmalı motor ateşleme zamanlaması, takometre'ler ve ABS (kilitlenmeyi önleyici) fren sistemleri gibi tekerleklerin ve millerin dönüş hızını ölçmede yaygın olarak kullanılır (örn. Şekil 1). Mekanik anahtar veya potansiyometreye sağlam ve temassız bir alternatifin gerekli olduğu elektrikli airsoft silahları, elektropnömatik paintball silahları'nın tetikleri, Go kart hız kontrolleri, akıllı telefon'lar ve bazı küresel konumlandırma sistemleri gibi cihazlarda genellikle Hall sensörleri yaygın olarak kullanılır.

İkili anahtar olarak kullanılan Hall sensörlerinin en yaygın endüstriyel uygulamalarından biri konum algılamadır (örn. Şekil 2). Hall etkili sensörler, bir akıllı telefon (küçük bir mıknatıs içeren) modelinin kapağının kapalı olup olmadığını belirlemede de kullanılır.^[21]

Bazı bilgisayar yazıcıları eksik kağıdı tespit etmek ve kapakları açmak için Hall sensörlerini kullanır ve bazı 3D yazıcılar bunları filaman kalınlığını ölçmede kullanır.

Hall sensörleri, yakıt deposundaki yüzen bir elemanın konumunu tespit ederek bazı otomotiv yakıt seviyesi göstergelerinde kullanılır.^[22]

Mıknatıslanmış gösterge iğneli mekanik göstergelere takılan Hall sensörleri, mekanik gösterge iğnesinin fiziksel konumunu veya yönünü elektronik göstergeler, kontroller veya iletişim cihazları tarafından kullanılabilecek bir elektrik sinyaline dönüştürebilir.^[23]

Hall etkisi manyetometreleri (aynı zamanda teslametreler veya gaussmetreler de denir) manyetik akı sızıntısı ilkelerini kullanarak manyetik alanları ölçme veya malzemeleri (boru veya boru hatları gibi) incelemek için Hall elemanına sahip Hall probu^[24] kullanır. Hall probu, manyetik alan gücünü doğrudan ölçmek için kalibreli bir Hall etkisi sensörü kullanan bir cihazdır. Manyetik alanların büyüklüğünün yanı sıra yönü de olduğundan Hall sondasından elde edilen sonuçlar sondanın konumu kadar yönüne de bağlıdır.

Hall sensörleri, akım transformatör'lerinde doğru akım'ın temassız ölçümleri için kullanılabilir. Böyle bir durumda Hall sensörü, akım iletkeninin etrafındaki manyetik çekirdekteki boşluğa monte edilir.^[25] Sonuçta DC manyetik akı ölçülebilir ve iletkendeki DC akımı hesaplanabilir.

Elektronlar bir iletkenin içinden aktığında manyetik alan oluşur. Böylece temassız bir akım sensörü veya ampermetreler yapmak mümkündür. Cihazın üç terminali vardır. İki terminale bir sensör voltajı uygulanır ve üçüncüsü, algılanan akımla orantılı bir voltaj sağlar. Bunun çeşitli avantajları vardır; birincil devreye herhangi bir ek direncin (en yaygın akım algılama yöntemi için gerekli şönt) yerleştirilmesine gerek yoktur. Ayrıca algılanacak hattaki gerilim sensöre iletilmez, bu ise ölçüm ekipmanlarının güvenliğini arttırır.

Hall sensörünün bir ferrit halkaya yerleştirlmesi (gösterildiği gibi), akımın manyetik alanının akı yoğunluğunu ferrit halka boyunca ve sensör (çünkü akı ferritin içinden havadan çok daha iyi akar),^[4] boyunca yoğunlaştırır. Böylece parazitli manyetik alanların göreceli etkisini 100 veya daha iyi bir faktörle büyük ölçüde azaltır. Bu biçim aynı zamanda sinyal-gürültü oranı'nda iyileşme ve çıplak bir Hall cihazının 20 katından daha fazla sapma etkisi sağlar.

Belirli bir geçiş sensörünün aralığı, uygun kablolamayla yukarı ve aşağı doğru da genişletilebilir. Aralığı daha düşük akımlara genişletmek için, akım taşıyan telin birden fazla dönüşü açıklık boyunca yapılabilir; her sarım sensör çıkışına aynı miktarı ekler; Sensör baskılı devre kartına yerleştirildiğinde turlar kart üzerindeki bir zımba ile gerçekleştirilebilir. Aralığı daha yüksek akımlara artırmak için bir akım bölücü kullanılabilir. Bölücü, akımı farklı genişlikteki iki kabloya böler ve toplam akımın daha küçük bir kısmını taşıyan daha ince tel sensörden geçer.

Halka sensörün bir tipi, cihazın geçici test ekipmanında kullanılmasına olanak tanıyan, hatta kelepçelenen bölünmüş bir sensör kullanır. Kalıcı kurulumda kullanıldığında bölünmüş sensör, mevcut devreyi sökmeden elektrik akımının test edilmesine olanak tanır.

Çıkış, hem uygulanan manyetik alanla hem de uygulanan sensör voltajıyla orantılıdır. Manyetik alan bir solenoid tarafından uygulanırsa sensör çıkışı, solenoidden geçen akımın ve sensör voltajının çarpımı ile orantılıdır. Hesaplama gerektiren çoğu uygulama artık küçük dijital bilgisayarlar tarafından gerçekleştirildiğinden geriye kalan kullanışlı uygulama, akımı algılamayı voltaj algılamayla tek bir Hall etkili cihazında birleştiren güç algılamadır.

Bir yüke sağlanan akımı algılayarak ve cihazın uygulanan voltajını sensör voltajı olarak kullanarak, cihaz tarafından wattmetre oluşturmada harcanan gücü bulmak mümkündür.

Hareket algılamada ve hareket sınırlama anahtarlarında kullanılan Hall etkisi cihazları zorlu ortamlarda gelişmiş güvenilirlik sunabilir. Sensör veya mıknatısda hareketli parça olmadığından, geleneksel elektromekanik anahtarlara kıyasla tipik ömür beklentisi artar. Ayrıca sensör ve mıknatıs uygun bir koruyucu malzemeyle kapsüllenebilir.

Distribütörlerde ateşleme zamanlaması (ve enjeksiyon darbe zamanlaması, hız algılama vb. için bazı krank ve eksantrik mili konum sensörlerinde) için yaygın olarak kullanılan Hall Etkisi sensörü, daha önceki otomotiv uygulamalarında kullanılan mekanik platinlerin yerine kullanılır. Çeşitli distribütör tiplerinde ateşleme zamanlama cihazı olarak kullanımı şu şekildedir: sabit kalıcı bir mıknatıs ve yarı iletken Hall Etkisi çipi, hava boşluğu ile ayrılmış olarak yan yana yerleştirilerek Hall Etkili sensör oluşturulur. Pencerelerden ve/veya tırnaklardan oluşan metal bir tevzi makarası (rotor), distribütör miline takılır ve milin dönüşü sırasında pencereler ve/veya tırnaklar, kalıcı mıknatıs ile yarı iletken Hall çipi arasındaki hava boşluğundan geçecek şekilde düzenlenir. Bu, Hall sensöründen bir tırnak veya pencerenin geçip geçmediğine bağlı olarak Hall çipini koruyarak kalıcı mıknatıs alanına maruz bırakır. Ateşleme zamanlaması amacıyla, metal tevzi makarası, motor silindirlerinin sayısıyla eşleşen bir dizi eşit boyutlu tırnağa ve/veya penceresi olur (#1 silindir tırnağı, Motor Kontrol Ünitesi tarafından fark edilmesi için her zaman eşsiz olur). Bu, koruma ve maruziyet süresinin eşit olması nedeniyle kare dalgaya benzer tekdüze bir çıktı üretir. Bu sinyal, motor bilgisayarı veya ECU tarafından ateşleme zamanlamasını kontrol etmede kullanılır.

Tekerlek dönüşünün algılanması özellikle ABS fren sistemlerinde faydalıdır. Bu tür sistemlerin prensipleri, kaymayı önleme fonksiyonundan daha fazlasını verecek şekilde genişletildi ve geliştirildi. Artık araç kullanımı iyileştirmeleri de sağlanmaktadır.

Bazı fırçasız DC elektrik motor türleri, rotor konumunu belirlemek ve bu bilgiyi motor kontrol cihazına beslemek için Hall etkisi sensörlerini kullanır. Bu daha hassas motor kontrolüne olanak sağlar. 3 veya 4 pinli fırçasız DC motor'lardaki Hall sensörleri, rotorun konumunu algılar ve transistörleri doğru sırayla değiştirir.^[26]

Hall etkili itici (HET), bazı uzay araçlarını yörünge'ye girdikten sonra veya uzayın daha da dışına itmek için kullanılan bir cihazdır. HET'de atomlar iyonlaşır ve elektrik alanı tarafından hızlandırılır. İtici üzerindeki mıknatıslar tarafından oluşturulan radyal manyetik alan elektronları yakalamak için kullanılır ve bunlar daha sonra yörüngede döner ve Hall etkisi nedeniyle bir elektrik alanı oluşturur. İticinin nötr itici gazın beslendiği ucu ile elektronların üretildiği kısmı arasında büyük bir potansiyel oluşur. Dolayısıyla manyetik alanda sıkışıp kalan elektronlar daha düşük potansiyele düşemez. Bu nedenle son derece enerjiktirler, bu ise nötr atomları iyonlaştırabilecekleri anlamına gelir. Nötr itici gaz odaya pompalanır ve sıkışan elektronlar tarafından iyonize edilir. Pozitif iyonlar ve elektronlar daha sonra iticiden yarı-nötr plazma olarak fırlatılır ve itme kuvveti oluşturulur. Oluşturulan itiş kuvveti son derece azdır, çok az kütle akış hızına ve çok yüksek etkili egzoz hızı/özgül itkisi vardır. Bu, birkaç yüz miliNewtonluk itme kuvveti, 4 kW civarında çok yüksek elektrik güç harcayarak elde edilir.

Hall sensörleri IC'leri genellikle dijital elektronikleri bütünleştirir.^[27] Bu, sensör özelliklerinde (örneğin sıcaklık katsayısı düzeltmeleri), mikroişlemci sistemlerinde dijital iletişim gelişmiş düzeltmelere olanak tanır ve giriş teşhisi, geçici koşullar için arıza koruması ve kısa/açık devre tespiti için arayüzler sağlayabilir.

Bazı Hall sensör IC'leri doğrudan sensör paketinde daha çok işleme tekniğine imkan verebilen DSP'yi bütünleştirdi.^[1]:167

Bazı Hall sensörü IC'leri bir mikrodenetleyicinin G/Ç bağlantı noktasına doğrudan bağlantı için bir analog dijital dönüştürücü ve I²C (Entegre devreler arası iletişim protokolü) IC'yi bütünleştirir.

Hatta ESP32 mikrodenetleyici'sinin varsayımsal mikro denetleyicisinin dahili Analog dijital dönüştürücü tarafından okunabilen entegre bir Hall sensörü de vardır ancak çalışmaz.^[28]

Hall sensörleri normalde en az üç pim (güç, toprak ve çıkış için) gerektirir. Ancak iki telli IC'ler yalnızca birer güç ve toprak pini kullanır ve bunun yerine verileri farklı akım seviyelerini kullanarak iletirler. Kablolamayı daha da azaltmak için birden fazla iki kablolu IC tek besleme hattından çalışabilir.^[29]

Bilgisayar klavyeleri için Hall etkili anahtarlar 1960'ların sonlarında Everett A. Vorthmann ve Joseph T. Maupin tarafından Honeywell'de geliştirildi.^[30] Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle bu klavyeler genellikle havacılık ve askeri gibi yüksek güvenilirlikli uygulamalar için kullanılıyordu. Seri üretim maliyetleri düştükçe artan sayıda tüketici modeli kullanıma sunuldu.

Hall etkili sensörleri aynı zamanda bazı yüksek performanslı oyun klavyeleri'nde (SteelSeries, Wooting, Corsair gibi şirketler tarafından üretilmiştir) de bulunabilir. Anahtarların kendileri mıknatıslıdır.^[31]

2023'te gelişmiş deneyim için özellikle joystick ve tetik mekanizmalarında^[32] Hall sensörlü temassız, yüksek çözünürlüklü, düşük gecikmeli konum ve hareket ölçümleri ve mekanik parça yokluğu nedeniyle daha uzun ömürlü oyun kumandaları piyasaya sürüldü.

Hall etkisi algılamaya yönelik uygulamalar artık hidrolik valfleri kontrol etmek için Hall etkili joystick'lerin kullanıldığı ve geleneksel mekanik kolların yerini temassız algılamanın aldığı endüstriyel uygulamalara da yayıldı. Bu tür uygulamalar madencilik kamyonları, kazıcı yükleyiciler, vinçler, kazıcılar, makaslı kaldırıcılar vb.'de vardır.

Bazı IC'ler iki Hall öğelidir. Bu, doğrusal veya döner bir kodlayıcı oluşturmak için bir dizi artımın (artımlı kodlayıcı) sayılmasında kullanışlıdır. Böylece mıknatısların hareketli veya dönen düzenlemesi, karesel kodlanmış model olarak algılanan alternatif bir manyetik model üretir.^[4] Bu modelin kodu daha sonra hareketin hem hızını hem de yönünü sağlamak için çözülebilir veya konumu veya açıyı belirlemek için basitçe yukarı ve aşağı sayılabilir. (Yalnızca bir Hall elemanı kullanıldığında doğrusal veya döner kodlayıcıların (ing:enkoder) yönü belirlenemez). Kalıp üzerinde birbirinden hassas mesafede yerleştirilen iki eleman aynı yönde yönlendirilmiş olabilir.^[33] Bu durumda manyetik kutuptan kutba adım ideal olarak Hall elemanından elemana adımın iki katı olmalıdır.^[4] Alternatif olarak Hall elemanları, iki eksende algılama sağlamak üzere 90 derecelik bir açıda yönlendirilebilir.^[34][35]

• naveed, A.; Ihn, T.; Ensslin, K.; Papp, G.; Peeters, F.; Maranowski, K.; Gossard, A. C. (2006). "Classical Hall effect in scanning gate experiments". Phys. Rev. B. 74 (16). s. 165426. Bibcode:2006PhRvB..74p5426B. doi:10.1103/PhysRevB.74.165426. hdl:10067/613600151162165141. 
• Nave, R. "Hall Effect". Hyperphysics. Georgia State University Department of Physics and Astronomy. 10 Ocak 2001 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 20 Nisan 2021.