Hall effect sensor

Hall Effect Sensor

            ในปัจจุบันเซ็นเซอร์แม่เหล็กเป็นอุปกรณ์ที่นิยมกันมาก เนื่องจากสามารถใช้งานได้หลากหลาย อาทิเช่นเซ็นเซอร์ที่ใช้ในการตรวจจับตำแหน่ง ความเร็ว หรือ ทิศทางในการเคลื่อนที่ และยังเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาให้สามารถทนทานต่อการสั่นสะเทือน ฝุ่น และน้ำได้

            ฮอลล์เอ็ฟเฟ็คเซ็นเซอร์ ก็คือเซ็นเซอร์แม่เหล็กอีกรูปแบบหนึ่งที่จะทำงานก็ต่อเมื่อมีสนามแม่เหล็กอยู่ในบริเวณรอบๆตัวเซ็นเซอร์ โดยเราได้รู้ว่าแล้วว่าสนามแม่เหล็กมีคุณลักษณะที่สำคัญๆได้แก่ ความเข้มสนามแม่เหล็ก(B) และขั้วแม่เหล็ก(เหนือ ใต้) ซึ่งสัญญาณเอ้าต์พุตของฮอลล์เอ็ฟเฟ็คเซ็นเซอร์นั้นเป็นฟังก์ชันที่เกิดจากความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นเมื่อตัวเซ็นเซอร์ตรวจจับความเข้มของสนามแม่เหล็กรอบๆได้เกินค่าที่กำหนดไว้ จะเกิดแรงดันที่เอ้าต์พุต เรียกว่า "แรงดันฮอลล์(Hall Voltage)"

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

         ปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall Effect) หรือฮอลล์เอฟเฟค เป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่ค้นพบโดย เอ็ดวิน ฮอลล์ (Edwin Hall) ในปี พ.ศ. 2422 สิ่งที่เค้าค้นพบมีหลักการโดยสรุปดังนี้

          แผ่นตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านเมื่อมีฟลักซ์แม่เหล็ก (Magnetic Flux) มากระทำในทิศทางตั้งฉากกับแผ่นตัวนำ จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าหรือแรงดันเรียกว่าแรงดันฮอลล์ (Hall Voltage) ขึ้นที่ตัวนำในทิศทางตั้งฉากกับกระแสและฟลักซ์แม่เหล็ก เมื่อจ่ายกระแสคงที่ให้แผ่นตัวนำจะทำให้กระแสไหลผ่านแผ่นตัวนำอย่างคงที่ โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก

            เมื่อมีฟลักซ์แม่เหล็กมากระทำกับแผ่นตัวนำในทิศทางตั้งฉากจะทำให้ประจุพาหะ (Charge Carrier) ขงตัวนำเบี่ยงเบนไปด้านบนของตัวนำ จากรูป ประจุพาหะเป็นอิเล็กตรอนมีประจุเป็นประจุลบทำให้ด้านบนของแผ่นตัวนำมีขั้วไฟฟ้าเป็นลบ ส่วนด้านล่างของแผ่นตัวนำจะมีขั้วตรงข้ามกับด้านบนนั่นคือมีประจุบวก เมื่อวัดความต่างศักย์ระหว่างด้านบนกับด้านล่างทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าออกมาเป็นแรงดันลบ โดยขนาดของแรงดันที่วัดได้จะขึ้นอยุ่กับความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กที่มากระทำ หากความเข้มสนามแม่เหล็กมากก็จะทำให้เกิดแรงดันมาก และถ้าความเข้มสนามแม่เหล็กน้อย แรงดันก็จะน้อยตามไปด้วย

             ส่วนกรณีที่มีการกลับขั้วแม่เหล็กจะทำให้แรงดันเอาท์พุตกลับขั้วกับกรณีที่กล่าวมา ตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นอิเล็กตรอนได้แก่ ตัวนำไฟฟ้าทั่วไป สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N-Type) ส่วนตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นประจุบวกได้แก่ สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type) ปัจจุบันฮอลล์เอฟเฟคจะอยู่ในรูปของวงจรรวมหรือ IC (Integrated Circuit) ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากสารกึ่งตัวนำจะให้แรงดันเอาท์พุตสูงกว่าตัวนำไฟฟ้าทั่วไป

            การวัดกระแสไฟฟ้าโดยHall Sensor

               การใช้งานฮอลล์เซนเซอร์เป็นการใช้วัดค่าความเข้มของฟลักซ์แม่เหล็ก เมื่อความเข้มของฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตามระยะทาง ดังนั้นเราจึงสามารถนำฮอลล์เซนเซอร์มาใช้เป็นเซนเซอร์วัดการกระจัดได้เช่นกัน

นอกจากใช้วัดสนามแม่เหล็กทั่วไปแล้ว ฮอลล์เซนเซอร์ยังถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในการวัดกระแสไฟฟ้าโดยวิธีฮอลล์เอฟเฟคอีกด้วย โดยปกติแล้วการใช้แอมป์มิเตอร์วัดกระแสในวงจรต้องวัดแบบอนุกรมเราอาจต้องตัดวงจรเพื่ออนุกรมมิเตอร์เข้าไปแต่ฮอลล์เอฟเฟคจะทำให้การวัดง่ายขึ้น

เมื่อเราผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆขดลวดเรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งถ้าเราสามารถวัดสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้ได้ เราก็สามารถคำนวณเป็นค่ากระแสออกมาได้เช่นกัน

               ปัจจุบันได้มีการผลิตเซนเซอร์กระแสไฟฟ้าแบบฮอลล์เอฟเฟคในรูปของไอซีหลายเบอร์ด้วยกัน มีตั้งแต่กระแสต่ำๆ ไปจนถึงกระแสเป็นร้อยแอมป์เลยทีเดียว

จากรูปเซนเซอร์กระแส เบอร์ LA55-P ของ LEM สามารถวัดกระแสได้สูงสุด 50A วัดได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ ให้เอาท์พุตออกมาเป็นกระแสในอัตราส่วน 1:1,000 หมายความว่า ถ้าวัดกระแส 50A เซนเซอร์ตัวนี้จะให้กระแสเอาท์พุต 50 mA

                สำหรับการใช้งานก็เพียงป้อนไฟเลี้ยง ±15V ให้กับเซนเซอร์ แล้วให้เส้นลวดที่เราต้องการวัดกระแสสอดเข้าที่รูตรงกลางเซนเซอร์เท่านั้นเอง จึงไม่ส่งผลกระทบต่อวงจรที่เราจะทำการวัดแต่อย่างใด

วัตถุประสงค์

1.เพื่อศึกษาคุณสมบัติของ Hall Effect Sensor

2.เพื่อศึกษาการนำ Hall Effect Sensor ไปใช้ในการวัดระยะเชิงมุม

3.เพื่อศึกษาการนำ Hall Effect Sensor ไปใช้ในการวัดระยะเชิงเส้น

เครื่องมือและอุปกรณ์การทดลอง

1.ชุดทดลอง Hall Effect Sensor           1 ชุด

2.แม่เหล็ก                                               1 แท่ง

3.แหล่งจ่ายไฟตรงปรับค่าได้               1 เครื่อง

4.DC Voltmeter                                      1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1.ต่อวงจรตามรูปที่ 1 (ห้ามใช้แรงดันเกิน 8 โวลต์ เพราะจะทำให้ sensor เสียได้)

รูปที่ 1 วงจรทดลอง

2.วางแม่เหล็กตรงจุดศูนย์กลางของวงกลม ในแนวมุม 0 องศา ดังรูปที่ 2  บันทึกค่าแรงดันเอ้าต์พุตของ sensor

 รูปที่ 2

3.เลื่อนแม่เหล็กไปรอบเซ็นเซอร์ทีละ 5 องศา พร้อมกับบันทึกค่าแรงดันเอาต์พุตของ sensor ที่วัดได้

4.พล็อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมของแม่เหล็กกับแรงดันเอ้าต์พุตของ sensor ที่วัดได้

5.วางแม่เหล็กตรงจุดศูนย์กลางของวงกลมในแนวมุม 90 องศา ดังรูปที่ 3 บันทึกแรงดันเอ้าต์พุตของ sensor

6.เลื่อนแม่เหล็กออกละ 2 มิลลิเมตรโดยให้ขั้วใต้เข้าหาเซ็นเซอร์ พร้อมกับบันทึกค่าแรงดันเอ้าต์พุตของ sensor

7.เลื่อนแม่เหล็กออกทีละ 2 มิลลิเมตรโดยให้ขั้วเหนือเข้าเซ็นเซอร์ พร้อมกับบันทึกค่าแรงดันเอ้าตพุตของ sensor

8.พล็อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของแม่เหล็กที่เลื่อนไปกับแรงดันเอ้าต์พุตของ sensor ที่วัดได้

ผลการทดลอง

            ผลการทดลองจากการเลื่อนแม่เหล็กรอบเซ็นเซอร์ทีละ 5 องศา

มุมที่แม่เหล็กเลื่อนไป (องศา)	แรงดันเอ้าต์พุต (V.)	มุมที่แม่เหล็กเลื่อนไป (องศา)	แรงดันเอ้าต์พุต (V.)
0	3.697	180	2.809
5	2.975	185	3.207
10	3.223	190	3.026
15	3.258	195	2.959
20	3.239	200	2.996
25	3.231	205	2.405
30	3.241	210	2.271
35	3.300	215	2.095
40	3.856	220	1.937
45	3.220	225	1.826
50	3.346	230	1.726
55	3.344	235	1.703
60	3.331	240	1.644
65	3.980	245	1.149
70	3.850	250	1.157
75	3.720	255	0.920
80	3.620	260	1.043
85	3.585	265	1.017
90	3.594	270	2.127
95	3.605	275	2.698
100	3.565	280	2.940
105	3.514	285	3.120
110	3.600	290	3.010
115	3.528	295	3.010
120	3.513	300	3.105
125	3.536	305	3.105
130	3.433	310	3.280
135	3.408	315	3.280
140	3.345	320	3.268
145	3.219	325	3.268
150	3.209	330	3.398
155	3.190	335	3.398
160	3.227	340	3.470
165	3.252	345	3.398
170	3.160	350	3.398
175	3.048	355	3.542

ผลการทดลองจากการเลื่อนแม่เหล็กทีละ 2 มิลลิเมตร

หันขั้วใต้เข้าหาเซ็นเซอร์		หันขั้วเหนือเข้าหาเซ็นเซอร์
ระยะที่เลื่อน (mm.)	แรงดันเอ้าต์พุต	ระยะเลื่อน (mm.)	แรงดันเอ้าต์พุต
2	3.223	2	2.080
4	3.051	4	2.287
6	2.956	6	2.399
8	2.892	8	2.463
10	2.838	10	2.513
12	2.805	12	2.549
14	2.776	14	2.575
16	2.756	16	2.595
18	2.744	18	2.608

วิจารณ์ผลการทดลอง

            จากผลการทดลองพบว่ามุมที่แม่เหล็กเลื่อนไปรอบๆตัวเซ็นเซอร์มีผลต่อแรงดันเอ้าต์พุตที่ออกมา จะเห็นได้ว่ามุมที่ทำให้ได้แรงดันเอ้าต์พุตมากที่สุดจะอยู่ที่ประมาน 90องศา และหลังจากนั้นแรงดันก็จะลดลงเรื่อยๆตามลำดับจนน้อยสุดที่มุมประมาน 270 องศา ซึ่งมุมที่ให้แรงดันมากที่สุดกับน้อยที่สุดจะต่างกันประมาน 180 องศา

            ส่วนในการทดลองเลื่อนแม่เหล็กเข้าและออกจะเห็นได้ชัดว่าถ้าหันขั้วใต้ของแม่เหล็กเข้าใกล้ตัวเซ็นเซอร์มากเท่าไรแรงดันเอ้าต์พุตที่ได้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตรงกันข้ามกับในหันขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าไปใกล้จะยิ่งให้แรงดันเอ้าต์พุตที่น้อยลง

สรุปผลการทดลอง

            จากวิจารณ์ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการใช้ hall effect sensor ให้มีประสิทธิภาพและตรงตามวัตถุประสงค์มากที่สุดจะต้องคำนึงถึงทิศทาง และระยะทางที่ตัวเซ็นเซอร์ทำกับแม่เหล็ก โดยที่มุมประมาน 90 องศาจากด้านหน้าของตัวเซ็นเซอร์จะสามารถตรวจจับความเปลี่ยนทางแม่เหล็กได้ดีที่สุด หรือถ้าอยากจะให้เซ็นเซอร์ตรวจจับแม่เหล็กได้เมื่ออยู่ใกล้ที่สุดก็เอาด้านขวาของเซ็นเซอร์หันเข้าหาแม่เหล็ก

            และด้วยคุณสมบัติของ hall effect sensor ปัจจุบันจึงนำไปเซ็นเซอร์ดังกล่าวนี้มาใช้เป็นเครื่องมือในการวัดจำนวนรอบของสิ่งต่าง ตัวอย่างเช่น จำนวนรอบของล้อรถ หรือ จำนวนรอบของแผ่นดิสก์ในฮาร์ดดิสก์เป็นต้น