홀 효과 센서 - Hall Effect Sensors

자기장을 감지하는 가장 일반적으로 사용되고 널리 사용되는 방법은 다양한 감지 기술 중 홀 효과 방법입니다. 홀 이펙트를 기반으로 근접, 속도, 전류 및 위치를 감지하는 데 가장 일반적으로 사용되는 다양한 응용 분야에서 볼 수 있는 수많은 홀 이펙트 센서 또는 변환기가 있습니다.

 

이는 동일한 실리콘 다이에 보조 신호 처리 회로가 있는 집적 회로(Ic)에 홀 효과 센서를 구축하거나 구성할 수 있기 때문입니다.

작은 크기, 견고성, 사용 편의성 및 비용 통합 홀 효과 센서와 같은 장점으로 인해 많은 자기 측정 응용 분야에 선호됩니다.

이러한 홀 효과 변환기가 사용되는 응용 분야 중 일부는 다음과 같습니다. 엔코더, 속도 센서 및 주행 종료 센서와 같은 산업 제어, 디스크 드라이브 인덱스 센서 및 브러시리스 팬용 정류와 같은 컴퓨터, ABS(잠김 방지 제동 시스템) 및 점화 타이밍과 같은 자동차, 운동 장비로서의 소비자 장치 등.

홀 효과 센서

 

 

홀 효과 이론

홀 효과는 1879 년 존 홉킨스 대학 (John Hopkins University)의 에드윈 홀 (Edwin Hall)에 의해 실험적으로 발견되었습니다. 그 당시 사용 가능한 도구를 사용하면 재료에서 얻은 전압은 실험의 미묘한 특성으로 인해 매우 낮았습니다 (마이크로 볼트 정도).

 

따라서 홀 효과와 함께 사용할 수 없으며 적절한 재료가 개발 될 때까지 실험실 외부에서는 사용할 수 없었습니다. 반도체 재료의 개발은 홀 효과의 실제 적용을 위한 고품질 변환기의 제조에 이르렀습니다.

홀 효과는 자기장에 배치된 전류 전달 도체의 반대쪽 가장자리를 가로지르는 전압 생성입니다.

 

전류가 자기장에 놓인 도체를 통과하면 자기장과 전류에 수직인 방향으로 도체를 가로질러 전위차가 발생하며 그 크기는 전류와 자기장에 비례합니다.

이것은 홀 효과로 알려져 있으며 많은 자기장 측정 장비 및 장치의 기초입니다.

 

아래에 표시된 홀 효과를 설명하기 위해 간단한 설정을 고려하십시오. 전도성 물질 또는 플레이트는 전류 I가 흐르도록 배터리에 의해 공급됩니다. 한 쌍의 전압계 프로브가 플레이트의 측면에 연결되어 자기장이 없을 때 측정 된 전압이 0이되도록합니다.

 

전류 흐름에 직각이 되도록 자기장이 플레이트에 가해지면 도체의 전류 분포에 대해 작은 전압이 나타납니다. 이 힘은 전류에 작용하여 전류를 전선 또는 도체의 한쪽으로 몰아넣어 도체 전체에 전위차를 발생시킵니다.

자기장의 극성이 반전되면 유도 전압도 플레이트를 가로질러 반전됩니다. 이 현상이 홀 효과입니다.

홀 효과는 외부 자기장과 움직이는 전하 캐리어 간의 상호 작용을 기반으로 합니다. 자기장을 통해 움직이는 전자에 작용하는 측면 힘은 다음과 같이 주어집니다.

 

F = qvB

 

여기서 B는 자속 밀도, v는 전자의 속도, q는 전자 전하입니다.

 

자기장이 전하의 움직임을 편향시키는 위의 그림을 고려하십시오. 평평한 전도성 스트립이 자기장에 배치되고 왼쪽 및 오른쪽 스트립의 추가 접점이 전압계에 연결됩니다.

스트립의 하단 및 상단 단자는 전원 공급원에 연결됩니다. 자속의 존재로 인해 움직이는 전자는 편향력에 의해 스트립의 오른쪽으로 이동합니다. 그 결과 왼쪽보다 오른쪽이 더 음수이므로 전위차가 존재합니다.

이 전압을 홀 전압이라고 하며, 그 크기와 방향은 전류와 자기장의 크기와 방향에 따라 달라집니다.

 

홀 전압은 다음과 같이 주어집니다.

VH = HIB sinα

 

여기서 h는 플레이트 재료, 온도 및 기하학에 따라 달라지는 전체 감도 계수이고, α는 자기장 벡터와 홀 플레이트 사이의 각도이고, I는 전류 밀도입니다.

전체 감도는 홀 계수에 따라 달라지며, 이는 단위 자기장 강도당 단위 전류 밀도당 횡방향 전위 구배입니다. 따라서 홀 계수는 다음과 같이 주어집니다.

H = 1/ Ncq

 

여기서 c는 빛의 속도이고, N은 단위 부피당 전자의 수이다.

 

홀 이펙트 센서

대부분의 센서는 자기장의 존재를 감지하기 위해 홀 효과를 사용하며, 이러한 센서는 홀 효과 센서라고 합니다. 자기 센서의 기본 요소는 홀 요소입니다. 이 센서는 일반적으로 2개의 단자가 제어 단자이고 다른 2개의 단자가 차동 출력 단자인 4단자 하우징에 포장되어 있습니다.

제어 전류는 제어 단자에서 인가되는 반면 출력은 차동 출력 단자에서 관찰됩니다. 기본 홀 이펙트 센서는 자기장을 전기 신호로 변환합니다.

마그네틱 시스템은 위치, 속도, 전류, 온도 등과 같은 물리량을 자기장으로 변환하여 홀 효과 센서로 감지할 수 있습니다.

 

홀 이펙트 센서는 실리콘 소재로 제작되며 크게 기본 센서와 통합 센서의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 능동 소자의 홀 계수와 전류 밀도는 높은 출력 전압을 생성하기 위해 홀 효과 센서를 제조하는 동안 고려해야 할 두 가지 중요한 매개변수입니다.

따라서 높은 홀 계수와 낮은 저항은 홀 요소의 두 가지 중요한 요구 사항입니다. 이러한 센서의 요소 제조에 사용되는 일부 재료에는 InSb, Ge, InAs 및 GaAs가 포함됩니다.

 

홀 이펙트 집적 회로(IC) 센서

통합 기술은 홀 효과 원리와 결합되어 홀 효과 IC 스위치를 생산합니다. 광전자 또는 유도 센서와 비교할 때 홀 효과 IC는 더 효과적이고 비용이 적게 들고 효율적입니다.

이러한 종류의 센서는 신호 증폭기, 홀 전압 발생기 및 슈미트 트리거 회로와 같은 다양한 구성 요소가 구축된 단일 집적 회로 칩입니다. 이 IC는 자기 바이어스가 적용된 강자성 재료, 영구 자석 또는 전자석의 자기장 강도 변화를 감지합니다.

 

이 IC는 정렬 제어, 속도 제어, 점화 시스템, 기계식 리미트 스위치, 공작 기계, 컴퓨터, 키보드, 푸시 버튼, 보안 시스템 등과 같은 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

이러한 IC는 다양한 구성으로 실리콘-CMOS 기술을 사용하여 제작되었습니다. 위 그림은 4핀 패키지의 홀 효과 센서 IC를 보여줍니다. 총 4핀 중 2핀은 정전압원에 연결되어 있고 다른 2핀은 전압계에 연결되어 있습니다.

 

연결 배열은 아래 그림과 같습니다. 자기장이 없을 때, 시트 양단에서 측정된 전압은 무시할 수 있습니다.

자속선이 홀 소자를 통해 흐르는 전류에 직각이 되도록 바이어스 홀 효과 센서에 자기장이 가해지면 전압은 홀 IC의 출력 단자에서 자기장 강도에 비례하는 크기로 생성됩니다.

 

 

홀 이펙트 센서의 종류

홀 이펙트 센서는 출력을 다른 많은 응용 분야에서 사용할 수 있도록 신호 조정 회로가 필요합니다. 이 신호 조건 회로는 증폭, 전압 조정, 온도 보상, 선형성 등을 수행합니다. 주로 홀 효과 센서에는 두 가지 유형, 즉 아날로그 및 이중 레벨 센서가 있습니다.

 

아날로그 홀 이펙트 센서

이 센서는 더 넓은 전압 범위에서 작동하며 기본 홀 센서에 비해 잡음이 많은 환경에서도 안정적입니다. 아래 그림은 노출되는 자기장에 비례하는 아날로그 전압을 생성하는 아날로그 출력 홀 이펙트 장치를 보여줍니다.

증폭기에는 바이어스 또는 고정 오프셋이 제공되므로 자기장이 없을 때 바이어스 전압이 null 전압으로 간주되는 출력에 나타납니다. 자기장은 홀 요소에서 양수 또는 음수일 수 있습니다.

따라서 출력 전압은 양의 자기장이 감지될 때 null 값 이상으로 증가하고 음의 자기장이 감지될 때 출력은 null 값 아래로 감소합니다.

 

이 센서를 사용하면 출력 전압이 전원 공급 장치에 의해 부과되는 한계 내에 있으므로 전원 공급 장치 한계에 도달하기 전에 ampliifier는 그림과 같이 포화 상태를 시작합니다.

포화는 증폭기에서 발생하지만 홀 소자에서는 발생하지 않으므로 더 큰 자기장으로 인한 홀 효과 센서의 손상이 없습니다.

또한 이러한 센서는 자기장과 관련하여 선형이 아니므로 고정밀 측정을 위한 적절한 보정이 필요합니다. 또한, 차동 증폭기의 출력에 푸시 풀 트랜지스터, 오픈 컬렉터 또는 오픈 이미터를 추가함으로써, 소자의 인터페이스 유연성이 증가된다.

 

디지털 출력 홀 이펙트 센서

이 센서의 출력에는 ON 또는 OFF의 두 가지 수준이 있습니다. 이러한 센서는 이중 레벨 센서라고도 합니다. 또한 증폭기에는 임계값 레벨의 히스테리시스가 내장된 슈미트 트리거가 포함되어 있습니다. 이 슈미트 트리거 배열은 차동 증폭기 출력을 고정 기준과 비교하여 아날로그 신호를 디지털 출력으로 변환합니다.

따라서 차동 증폭기 출력이 기준 또는 사전 설정 값보다 크면 슈미트 트리거가 켜지고 기준 값 아래로 떨어지면 슈미트 트리거가 꺼집니다.

 

자기장의 함수로 2 단계 출력 신호는 그림에서 보인다. 여기에서 히스테리시스는 기준 또는 사전 설정 값이 통과한 후 동작이 비활성화되는 데드 밴드 영역을 도입하여 피할 수 있는 진동을 제거합니다.

 

홀 이펙트 트랜스듀서의 응용 분야

응용 분야에 따라 홀 효과 센서는 다양한 구성으로 구성됩니다. 이들은 산업 공정 제어, 생물 의학, 자동차, 통신, 현금 자동 입출금기 등과 같은 다양한 응용 분야에서 사용되는 매우 널리 사용되는 측정 장치입니다.

 

이들은 위치 센서, 액체 레벨 측정, 리미트 스위치 및 유량 측정으로 매우 널리 사용됩니다. 일부 장치는 홀 효과 전류 센서, 홀 효과 베인 스위치 및 홀 효과 자기장 강도 센서와 같은 홀 효과를 기반으로 작동합니다. 홀 이펙트 트랜스듀서의 일부 응용 분야는 아래에 설명되어 있습니다.

 

위치 센서

홀 이펙트 센서는 슬라이딩 동작을 감지하는 데 사용됩니다. 이 유형의 꺼짐 센서에는 그림과 같이 홀 요소와 자석 사이에 엄격하게 제어되는 간격이 있습니다.

자석이 고정된 간격으로 앞뒤로 움직이면 유도 자기장이 변합니다. 이 필드는 요소가 북극에 접근하면 음수이고 남극에 접근하는 동안에는 양수입니다.

이러한 센서는 정확한 위치 지정에 사용되는 근접 센서라고도 합니다. 아래 그림은 알루미늄 하우징에 나사산으로 연결되고 막대에 장착된 하나의 자석에 의해 작동되는 4개의 디지털 출력 바이폴라 센서를 보여줍니다.

 

이 센서는 자석이 허용 가능한 치수 한계에서 움직일 때 신호를 생성합니다. 기준 표면에서 이러한 신호는 측정된 거리를 나타냅니다. 이러한 유형의 배열은 다중 위치 감지라고도 합니다. 이러한 응용 프로그램의 가장 좋은 예는 사진 처리 장비의 다양한 렌즈 위치를 감지하는 것입니다.

 

유량 측정

아래 그림은 유량 측정에 사용되는 홀 효과 센서를 보여줍니다. 챔버에는 유체가 흐르는 유체 유입 및 유체 배출 개구부가 제공됩니다. 나사산 샤프트 배열이 있는 스프링 장착 패들은 마그네틱 어셈블리를 홀 자석을 향해 앞뒤로 움직입니다.

챔버를 통해 유속이 증가함에 따라 스프링이 장착된 패들이 나사산 샤프트를 돌립니다. 따라서 샤프트가 회전함에 따라 마그네틱 어셈블리가 위쪽으로 올라가 변환기에 전원이 공급됩니다.

 

유량이 감소하면 스프링 코일로 인해 마그네틱 어셈블리가 내려갑니다. 따라서 변환기 출력이 감소합니다. 이 전체 배열은 측정된 전압과 유량 사이에 선형 관계가 있도록 보정됩니다.

 

액체 레벨 측정

이 방법에서 홀 효과 센서는 플로트의 높이를 결정하는 데 사용되며, 이에 따라 탱크의 액체 레벨이 측정됩니다. 아래 그림은 탱크에 있는 플로트 및 홀 효과 요소 또는 센서 IC의 배열을 보여줍니다. 플로트는 자석으로 부착되어 작동이 홀 요소에 대한 자기장 거리를 멀리 또는 가깝게 변경합니다.

 

액체 레벨이 올라갈수록 자석이 센서에 더 가까이 이동하여 출력 전압이 증가하는 반면 액체 레벨이 내려가면 이 전압이 감소합니다. 따라서 이 시스템은 탱크 내부에 전기 연결 없이 간단한 액체 레벨 측정을 제공합니다.

 

RPM 센서

속도 또는 RPM 감지는 홀 효과 센서의 가장 일반적인 응용 분야입니다. 속도 감지에서 홀 효과 센서는 회전하는 자석을 향하도록 고정되어 있습니다. 이 회전 자석은 센서 또는 홀 소자를 작동하는 데 필요한 자기장을 생성합니다.

회전 자석 배열은 응용 프로그램의 편의성에 따라 다른 방법이 될 수 있습니다. 이러한 배열 중 일부는 샤프트 또는 허브에 개별 자석을 장착하거나 링 자석을 사용하여 장착합니다. 홀 센서는 자석을 향할 때마다 출력 펄스를 제공합니다.

또한 이러한 펄스는 프로세서에 의해 제어되어 속도를 RPM으로 결정하고 표시합니다. 이러한 센서는 디지털 또는 선형 아날로그 출력 센서일 수 있습니다.

 

 

브러시리스 DC 모터 센서

브러시리스 DC 모터의 전력 분배는 기계적 정류 대신 전자 정류에 의해 제어됩니다. 3개의 디지털 바이폴라 홀 효과 센서가 회전자의 극면 근처 고정자의 한쪽 끝에 배치되어 전자 정류를 수행합니다.

이러한 센서를 작동하기 위해 영구 자석 재료가 로터 샤프트에 장착됩니다. 이 센서는 회전하는 자석의 위치를 측정하여 자석이 올바른 방향으로 회전하도록 모터 코일에 전류를 인가해야 하는 시기를 결정합니다.

 

홀 이펙트 센서에 의해 감지된 정보는 논리 회로에 공급되며, 이 회로는 이 정보를 추가로 인코딩하고 구동 회로를 제어합니다. 홀 효과 센서가 제공하는 이 유형의 피드백 메커니즘은 유연성이 뛰어나 많은 BLDC 모터 제어 응용 제품에 사용되는 회전자의 속도와 위치를 측정합니다.

 

전류 센서

홀 이펙트 전류 센서는 AC 및 DC 전류를 모두 측정하는 데 사용됩니다. 선형 아날로그 홀 이펙트 센서를 사용하면 250mA에서 수천 암페어에 이르는 전류를 측정할 수 있습니다.

이 절연 아날로그 출력 전압은 더욱 디지털화됩니다. 레벨 이동 및 온도 보정 ampliifiers를 추가합니다.

전류가 흐르는 도체는 항상 자기장으로 둘러싸여 있으므로 선형 홀 효과 센서가 이 필드 근처에 배치된 다음 그림과 같이 센서의 출력 단자에 전압이 발생합니다. 이 전압은 도체 주변의 자기장 강도에 비례합니다.

 

보다 민감하고 매우 효율적인 절연 전류 감지 장치는 전자석과 함께 홀 효과 센서를 사용하여 얻을 수 있습니다. 이 배열은 갭에 위치한 홀 효과 IC 센서가 있는 슬롯형 페라이트 토로이드 코어로 구성됩니다.

센서는 코어로 둘러싸여 있으므로 코어는 그림과 같이 홀 요소가 배치된 위치로 유도 자기장을 집중시키므로 플럭스 집중 장치 역할을 합니다.

 

코어의 권선 수를 변화시킴으로써, 이 센서로 몇 암페어에서 수천 암페어의 전류 측정이 가능합니다. 홀 효과 센서의 출력 전압은 권선을 통해 흐르는 전류와 전류 측정에 비례합니다.

 

온도 또는 압력 센서

홀 이펙트 센서는 압력 및 온도로도 사용할 수 있습니다. 이 센서는 적절한 자석이 있는 압력 편향 다이어프램과 통합되어 있습니다. 벨로우즈의 자기 어셈블리는 홀 효과 요소에 대해 이리저리 움직입니다.

압력 측정의 경우 벨로우즈는 팽창 및 수축을 받습니다. 벨로우즈 변형으로 인해 자기 어셈블리가 홀 효과 요소에 근접하게 이동하게 됩니다. 따라서 출력 전압은 적용된 압력에 비례하여 생성됩니다.

 

온도 측정의 경우 벨로우즈 어셈블리는 알려진 열팽창 특성을 가진 가스로 밀봉됩니다. 챔버가 가열되면 벨로우즈 내부의 가스가 팽창합니다. 이로 인해 온도에 비례하는 센서에서 전압이 생성됩니다.