مستشعر تأثير هول

تُنتج أجهزة تأثير هول مستوى إشارة منخفضًا جدًا، وبالتالي تتطلب تضخيمًا. كانت تقنية مضخمات الصمامات المفرغة ، المتوفرة في النصف الأول من القرن العشرين، كبيرة الحجم ومكلفة وتستهلك طاقة عالية جدًا بالنسبة لتطبيقات مستشعرات تأثير هول اليومية، والتي اقتصرت على الأجهزة المختبرية. حتى تقنية الترانزستور من الجيل الأول لم تكن مناسبة؛ ولم يصبح مستشعر تأثير هول مناسبًا للتطبيقات واسعة النطاق إلا مع تطوير تقنية الدوائر المتكاملة الدقيقة (IC) منخفضة التكلفة والقائمة على رقائق السيليكون . تحتوي الأجهزة التي تُباع حاليًا كمستشعرات هول على كلٍ من المستشعر كما هو موضح أعلاه ومضخم IC عالي الكسب في حزمة واحدة. قد تُضيف دوائر مستشعرات هول المتكاملة هذه منظم جهد مستقر بالإضافة إلى المضخم للسماح بالتشغيل ضمن نطاق واسع من جهد التغذية ، وتعزيز جهد هول للحصول على إشارة خرج تناظرية ملائمة تتناسب مع مُركبة المجال المغناطيسي. ^{[ 4 ]} في بعض الحالات، قد تلغي الدائرة الخطية جهد الإزاحة لمستشعرات هول. علاوة على ذلك، قد يُقلل تعديل التيار المتردد لتيار التشغيل من تأثير جهد الإزاحة هذا.

تُسمى مستشعرات هول خطية إذا كان خرجها متناسبًا مع شدة المجال المغناطيسي الساقط. يمكن أن تكون إشارة الخرج هذه جهدًا تناظريًا ، أو إشارة تعديل عرض النبضة (PWM)، أو يتم نقلها رقميًا عبر بروتوكول ناقل حديث . ^{[ 7 ]} قد تكون مستشعرات هول نسبية أيضًا إذا كانت حساسيتها متناسبة مع جهد التغذية. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي، يكون جهد الخرج الساكن عادةً نصف جهد التغذية. ^{[ 8 ]} وقد يكون لها خرج كامل النطاق . ^{[ 9 ]}

بينما يعتبر عنصر هول جهازًا تناظريًا ، فإن دوائر مفاتيح هول المتكاملة غالبًا ما تتضمن دوائر كشف العتبة لتشكيل مفتاح إلكتروني له حالتان (تشغيل وإيقاف) يخرجان إشارة رقمية ثنائية .

قد تكون مخارجها عبارة عن ترانزستورات NPN ذات مجمع مفتوح (أو ترانزستورات MOSFET من النوع n ذات مصارف مفتوحة ) للتوافق مع الدوائر المتكاملة التي تستخدم جهود تغذية مختلفة. ^{[ 4 ]} بدلاً من توليد جهد عند سلك خرج إشارة مستشعر هول، يتم تشغيل ترانزستور الخرج، مما يوفر دائرة إلى الأرض عبر سلك خرج الإشارة.

تقيس عناصر هول مركبة محور الاستشعار فقط لمتجه المجال المغناطيسي. ولأن هذه المركبة المحورية قد تكون موجبة أو سالبة، فإن بعض مستشعرات هول قادرة على استشعار الاتجاه الثنائي للمركبة المحورية بالإضافة إلى مقدارها. ولتحديد الاتجاه ثنائي الأبعاد، يجب دمج عنصر هول إضافي عمودي (كما في قسم  دوائر مستشعرات هول المزدوجة )، كما يجب إضافة عنصر هول عمودي آخر للكشف عن جميع مركبات المجال المغناطيسي ثلاثية الأبعاد.

نظرًا لأن دوائر استشعار هول المتكاملة عبارة عن أجهزة صلبة ، فهي غير عرضة للتآكل الميكانيكي. وبالتالي، يمكنها العمل بسرعات أعلى بكثير من المستشعرات الميكانيكية، ولا يحد من عمرها الافتراضي الأعطال الميكانيكية (على عكس مقاييس الجهد ، ومفاتيح القصب الكهروميكانيكية ، ^{[ 16 ]} والمرحلات ، أو غيرها من المفاتيح والمستشعرات الميكانيكية). مع ذلك، قد تكون مستشعرات هول عرضة للانحراف الحراري نتيجة لتغيرات الظروف البيئية، وللانحراف الزمني خلال عمر المستشعر. ^{[ 17 ]}

تتميز أجهزة تأثير هول (عند تغليفها بشكل مناسب) بمقاومتها للغبار والأوساخ والطين والماء. هذه الخصائص تجعلها أفضل من الوسائل البديلة، مثل الاستشعار البصري والكهروميكانيكي، في تحديد المواقع.

يقتصر نطاق تردد مستشعرات هول العملية على مئات الكيلوهرتز ، بينما يقتصر نطاق تردد المستشعرات السيليكونية التجارية عادةً على 10-100  كيلوهرتز. اعتبارًا من عام 2016يتميز أسرع مستشعر هول متوفر في السوق بعرض نطاق ترددي يبلغ 1  ميجاهرتز ولكنه يستخدم أشباه موصلات غير قياسية. ^{[ 18 ]}

قد يؤدي التدفق المغناطيسي من المحيط (مثل الأسلاك الأخرى) إلى إضعاف أو زيادة المجال الذي يقيسه مسبار هول، مما يجعل النتائج غير دقيقة. تستطيع مستشعرات هول رصد المجالات المغناطيسية المتناثرة بسهولة، بما في ذلك المجال المغناطيسي للأرض، لذا فهي تعمل بكفاءة كبوصلات إلكترونية؛ ولكن هذا يعني أيضاً أن هذه المجالات المتناثرة قد تعيق القياسات الدقيقة للمجالات المغناطيسية الضعيفة. ولحل هذه المشكلة، غالباً ما تُدمج مستشعرات هول مع نوع من أنواع الحماية المغناطيسية.

يمكن قياس المواضع الميكانيكية داخل النظام الكهرومغناطيسي دون الاعتماد على تأثير هول، وذلك باستخدام مشفرات الموضع البصرية (مثل المشفرات المطلقة والتزايدية ) والجهد المستحث عن طريق تغيير كمية القلب المعدني المُدخل في المحول . وعند مقارنة تأثير هول بالطرق الحساسة للضوء، يصعب الحصول على موضع مطلق باستخدام تأثير هول.

أحد أكثر التطبيقات الصناعية شيوعًا لمستشعرات هول المستخدمة كمفاتيح ثنائية هو استشعار الموضع (انظر الشكل 2).

تُستخدم مستشعرات تأثير هول للكشف عما إذا كان غطاء الهاتف الذكي (الذي يتضمن مغناطيسًا صغيرًا) مغلقًا. ^{[ 21 ]}

تستخدم بعض طابعات الكمبيوتر مستشعرات هول للكشف عن الورق المفقود والأغطية المفتوحة، وتستخدمها بعض طابعات ثلاثية الأبعاد لقياس سمك الخيوط.

تُستخدم مستشعرات هول في بعض مؤشرات مستوى الوقود في السيارات عن طريق الكشف عن موضع عنصر عائم في خزان الوقود. ^{[ 22 ]}

يمكن لمستشعرات هول المثبتة على المقاييس الميكانيكية ذات الإبر المؤشرة الممغنطة أن تترجم الموضع أو الاتجاه الفيزيائي لإبرة المؤشر الميكانيكية إلى إشارة كهربائية يمكن استخدامها بواسطة المؤشرات الإلكترونية أو أجهزة التحكم أو أجهزة الاتصالات. ^{[ 23 ]}

تستخدم مقاييس المغناطيسية ذات تأثير هول (وتُسمى أيضًا مقاييس تسلا أو مقاييس غاوس) "مسبار هول" ^{[ 24 ]} ، المزود بعنصر هول، لقياس المجالات المغناطيسية أو فحص المواد (مثل الأنابيب أو خطوط الأنابيب) باستخدام مبادئ تسرب التدفق المغناطيسي . مسبار هول هو جهاز يستخدم مستشعر تأثير هول مُعايرًا لقياس شدة المجال المغناطيسي مباشرةً. ولأن للمجالات المغناطيسية اتجاهًا بالإضافة إلى مقدار، فإن نتائج مسبار هول تعتمد على اتجاه المسبار وموضعه.

يمكن استخدام مستشعرات هول لإجراء قياسات التيار المستمر في محولات التيار دون تلامس . في هذه الحالة، يُركّب مستشعر هول في فجوة في القلب المغناطيسي المحيط بموصل التيار. ^{[ 25 ]} ونتيجة لذلك، يمكن قياس التدفق المغناطيسي للتيار المستمر ، ومن ثم حساب التيار المستمر في الموصل.

عندما تتدفق الإلكترونات عبر موصل، يتولد مجال مغناطيسي. وبذلك، يُمكن إنشاء مستشعر تيار أو مقياس أمبير لا تلامسي . يحتوي الجهاز على ثلاثة أطراف. يُطبَّق جهد المستشعر على طرفين، بينما يُوفِّر الطرف الثالث جهدًا يتناسب مع التيار المراد قياسه. يتميز هذا التصميم بعدة مزايا؛ إذ لا حاجة لإضافة مقاومة إضافية (مثل المقاومة المتوازية ، المطلوبة في معظم طرق قياس التيار الشائعة) إلى الدائرة الأولية. كما أن الجهد الموجود على الخط المراد قياسه لا ينتقل إلى المستشعر، مما يُعزز سلامة جهاز القياس.

تُوفر أجهزة تأثير هول، المستخدمة في استشعار الحركة ومفاتيح تحديد الحركة، موثوقية مُحسّنة في البيئات القاسية. ولعدم وجود أجزاء متحركة داخل المستشعر أو المغناطيس، فإن العمر الافتراضي النموذجي لهذه الأجهزة يتحسن مقارنةً بالمفاتيح الكهروميكانيكية التقليدية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن تغليف المستشعر والمغناطيس بمادة واقية مناسبة.

محرك الدفع بتأثير هول (HET) هو جهاز يُستخدم لدفع بعض المركبات الفضائية ، بعد دخولها المدار أو في الفضاء الخارجي. في هذا المحرك، تتأين الذرات وتُسرّع بواسطة مجال كهربائي . يُستخدم مجال مغناطيسي شعاعي، مُنشأ بواسطة مغناطيسات على المحرك، لحصر الإلكترونات التي تدور بدورها وتُولد مجالًا كهربائيًا بفعل تأثير هول. يتولد فرق جهد كبير بين نهاية المحرك، حيث يُغذى بالوقود المتعادل، والجزء الذي تُنتج فيه الإلكترونات؛ لذا، لا تستطيع الإلكترونات المحصورة في المجال المغناطيسي الهبوط إلى الجهد المنخفض. وبالتالي، فهي تتمتع بطاقة هائلة، مما يعني قدرتها على تأيين الذرات المتعادلة. يُضخ الوقود المتعادل إلى الحجرة ويتأين بواسطة الإلكترونات المحصورة. ثم تُقذف الأيونات الموجبة والإلكترونات من المحرك على شكل بلازما شبه متعادلة ، مُولدةً قوة الدفع. تكون قوة الدفع الناتجة ضئيلة للغاية، مع معدل تدفق كتلي منخفض جدًا وسرعة عادم فعالة/دفع نوعي عالية جدًا. ويتحقق ذلك على حساب متطلبات طاقة كهربائية عالية جدًا، تصل إلى عشرات الكيلوواط لكل نيوتن من قوة الدفع.

غالبًا ما تتضمن الدوائر المتكاملة لمستشعرات هول إلكترونيات رقمية. ^{[ 27 ]} وهذا يتيح إجراء تصحيحات متقدمة لخصائص المستشعر (مثل تصحيحات معامل درجة الحرارة)، والاتصال الرقمي بأنظمة المعالجات الدقيقة، وقد يوفر واجهات لتشخيص المدخلات، وحماية من الأعطال في الظروف العابرة، واكتشاف الدوائر القصيرة/المفتوحة.

تتضمن بعض الدوائر المتكاملة لمستشعرات هول معالج الإشارات الرقمية (DSP) ، مما يسمح بتطبيق المزيد من تقنيات المعالجة مباشرةً داخل غلاف المستشعر. ^{[ 1 ] : 167}

تتضمن بعض الدوائر المتكاملة لمستشعرات هول محولًا تناظريًا إلى رقمي ودائرة متكاملة I2C ( بروتوكول الاتصال ^بين الدوائر المتكاملة) للاتصال المباشر بمنفذ الإدخال/الإخراج الخاص بوحدة التحكم الدقيقة . ^{[ 28 ]}

يحتوي المتحكم الدقيق ESP32 على مستشعر هول مدمج، والذي من المفترض نظرياً أن تتم قراءته بواسطة محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية الداخلي للمتحكم الدقيق ، على الرغم من أنه لا يعمل. ^{[ 29 ]}

تتطلب مستشعرات هول عادةً ثلاثة أطراف على الأقل (للتزويد بالطاقة، والأرضي، والإخراج). مع ذلك، تستخدم الدوائر المتكاملة ثنائية الأسلاك طرفي تزويد بالطاقة والأرضي فقط، وتتبادل البيانات باستخدام مستويات تيار مختلفة. يمكن تشغيل عدة دوائر متكاملة ثنائية الأسلاك من خط إمداد واحد، مما يقلل من عدد الأسلاك. ^{[ 30 ]}

طُوِّرت مفاتيح تأثير هول للوحات مفاتيح الحاسوب في أواخر الستينيات على يد إيفريت أ. فورثمان وجوزيف ت. موبين في شركة هانيويل . ^{[ 31 ]} ونظرًا لارتفاع تكاليف تصنيع هذه اللوحات، فقد اقتصر استخدامها غالبًا على التطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية، مثل تطبيقات الفضاء والطيران والتطبيقات العسكرية. ومع انخفاض تكاليف الإنتاج الضخم، أصبح عدد متزايد من النماذج المخصصة للمستهلكين متاحًا.

يمكن أيضاً العثور على مستشعرات تأثير هول في بعض لوحات مفاتيح الألعاب عالية الأداء (التي تصنعها شركات مثل SteelSeries و Wooting و Corsair )، حيث تحتوي المفاتيح نفسها على مغناطيس. ^{[ 32 ]}

على الرغم من أن شركة سيجا كانت رائدة في استخدام مستشعرات تأثير هول في وحدة التحكم ثلاثية الأبعاد سيجا ساتورن ^{[ 33 ]} ووحدة التحكم القياسية دريم كاست ^{[ 34 ]} منذ التسعينيات، إلا أن مستشعرات تأثير هول لم تبدأ في اكتساب شعبية للاستخدام في وحدات تحكم ألعاب المستهلك إلا منذ أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، وخاصة في عصا التحكم التناظرية / عصا التحكم وآليات الزناد، ^{[ 35 ]} من أجل تجربة محسنة نظرًا لقياساتها غير التلامسية عالية الدقة ومنخفضة زمن الوصول للموضع والحركة وعمرها الأطول بسبب عدم وجود أجزاء ميكانيكية.

توسعت تطبيقات استشعار تأثير هول لتشمل التطبيقات الصناعية، التي تستخدم الآن عصي التحكم المزودة بتأثير هول للتحكم في الصمامات الهيدروليكية، مستبدلةً بذلك الروافع الميكانيكية التقليدية بتقنية الاستشعار اللاسلكي. وتشمل هذه التطبيقات شاحنات التعدين، والحفارات ذات الذراع الخلفية، والرافعات، والحفارات، والرافعات المقصية، وغيرها.

تتضمن بعض الدوائر المتكاملة عنصرين من عناصر هول. يُفيد هذا في عدّ سلسلة من الزيادات ( مشفّر تزايدي ) لإنشاء مشفّر خطي أو دوراني ، حيث يُنتج ترتيب متحرك أو دوّار للمغناطيسات نمطًا مغناطيسيًا متناوبًا يُستشعر كنمط مُشفّر تربيعي . ^{[ 4 ]} يمكن بعد ذلك فك تشفير هذا النمط لتوفير كل من سرعة واتجاه الحركة، أو ببساطة عدّه تصاعديًا وتنازليًا لتحديد الموضع أو الزاوية. (عند استخدام عنصر هول واحد فقط، لا يمكن تحديد اتجاه المشفّرات الخطية أو الدورانية). قد يكون العنصران الموضوعان على مسافة دقيقة من بعضهما البعض على الشريحة موجهين في نفس الاتجاه، ^{[ 36 ]} وفي هذه الحالة، يجب أن تكون المسافة بين قطبي المغناطيس ضعف المسافة بين عنصري هول. ^{[ 4 ]} بدلاً من ذلك، يمكن توجيه عنصري هول بزاوية 90 درجة لتوفير الاستشعار على محورين. ^{[ 37 ] [ 38 ]}