홀효과센서

Hall effect sensor
그림 1: 홀 효과 센서를 통과하는 두 개의 자석이 들어 있는 휠. 각 회전마다 센서의 전압이 두 번씩 최고점을 찍습니다. 이 배열은 디스크 드라이브를 포함한 물체의 회전 속도를 측정하고 조절하는 데 사용됩니다.

홀 효과 센서(또는 홀 센서 또는 홀 프로브)는 홀 효과(물리학자 에드윈 홀의 이름을 따서 명명됨)를 사용하여 자기장 벡터 B의 한 축 성분에 비례하는 전압을 생성하는 하나 이상의 홀 요소를 포함하는 모든 센서입니다.

홀 센서는 근접 감지, 위치 측정, 속도 감지 및 현재 감지 응용[1] 분야에 사용되며 산업 및 소비자 응용 분야에서 일반적입니다. 홀 센서 집적 회로(IC)는 매년[2] ~50개의 제조업체에서 판매되며, 세계 시장은 약 10억 달러에 달합니다.[3]

원칙

홀 소자 회로 기호
주 기사: 홀 효과 § 이론

홀 센서에서 고정된 DC 바이어스 전류는[4] 홀 소자 변환기라고 불리는 금속의 얇은 스트립을 가로질러 한 축을 따라 인가됩니다. 다른 축을 따라 홀 소자의 반대편에 있는 감지 전극은 전극의 축을 가로지르는 전위(전압)의 차이를 측정합니다. 전류의 전하 캐리어는 흐름에 수직인 자기장이 존재하는 경우 로렌츠 힘에 의해 편향됩니다. 감지 전극은 전류의 축과 감지 전극의 축에 수직인 자기장의 축 성분에 비례하는 전위차(홀 전압)를 측정합니다.[5]

홀 효과 센서는 정전기 및 변화하는 자기장에 반응합니다. 대신 유도 센서는 필드의 변화에만 반응합니다.

증폭

홀 효과 장치는 매우 낮은 신호 레벨을 생성하므로 증폭이 필요합니다. 실험실 기기에는 적합하지만 20세기 전반에 사용할 수 있는 진공관 증폭기는 너무 비싸고 전력이 소모되며 일상적인 용도로는 신뢰할 수 없었습니다. 홀 효과 센서가 대량 적용에 적합해진 것은 저비용 집적회로의 발전과 더불어 비로소 가능하게 되었습니다. 오늘날 홀 센서로 판매되는 장치에는 위에서 설명한 센서와 단일 패키지에 고이득 집적 회로(IC) 증폭기가 모두 포함되어 있습니다. 이러한 홀 센서 IC는 증폭기 외에 안정적인 전압 조정기를 추가하여 광범위한 공급 전압에서 작동할 수 있도록 하고 자기장 성분에 비례하는 편리한 아날로그 신호 출력을 위해 홀 전압을 부스트할 수 있습니다.[4] 경우에 따라 선형 회로가 홀 센서의 오프셋 전압을 취소할 수 있습니다. 또한 구동 전류의 교류 변조는 이 오프셋 전압의 영향을 줄일 수도 있습니다.

홀스위치

홀 소자가 아날로그 장치인 반면, 홀 스위치 IC는 종종 임계값 감지 회로를 추가로 통합하여 이진 디지털 신호를 출력하는 두 가지 상태(온 및 오프)를 갖는 전자 스위치를 형성합니다.

이들의 출력은 서로 다른 공급 전압을 사용하는 IC와의 호환성을 위해 개방형 수집기 NPN 트랜지스터(또는 개방형 드레인 n형 MOSFET)일 수 있습니다.[4] 홀 센서 신호 출력 와이어에서 전압이 생성되는 대신 출력 트랜지스터가 켜져서 신호 출력 와이어를 통해 접지 측 회로가 제공됩니다.

히스테리시스

센서 노이즈에 강한 깨끗한 디지털 출력을 제공하기 위해 Schmitt 트리거 필터링을 적용(또는 IC에 통합)할 수 있습니다. 스위칭용 히스테리시스 임계값(BOP 및 B로RP 지정)은 디지털 홀 IC를 단극 스위치,[6] 양극 스위치, [7]전극 스위치 [8]또는 래치로 분류합니다.[9] 단극성은 자기장의 한 극성에서만 스위칭 임계값을 갖는 것을 말합니다. 양극성은 반대의 자기 극성을 말합니다. 한편, 옴니폴라 스위치는 양극 및 음극 모두에 대해 두 세트의 스위칭 임계값을 가지므로 강력한 양극 및/또는 강력한 음극 자기장으로 작동합니다.

래치와 바이폴라 스위치는 모두 양의OP B와 음의RP B를 갖습니다(따라서 작동하려면 양의 자기장과 음의 자기장이 모두 필요합니다). 그러나OP B와 B의RP 차이는 래치에서 더 큽니다. 따라서 래치는 하나의 상태에 훨씬 더 오래 유지되며(즉, 마지막 값으로 래치됨) 바이폴라 스위치가 상태를 전환하는 데 필요한 것보다 더 큰 필드 강도 변화가 필요합니다.

특성.

방향성

홀 요소는 자기장 벡터의 감지 축 성분만 측정합니다. 축 성분이 양수 또는 음수일 수 있기 때문에 일부 홀 센서는 크기 외에 축 성분의 이진 방향을 감지할 수 있습니다. 2-D 방향을 결정하기 위해서는 수직 방향의 홀 요소(예: § 듀얼 홀 센서 IC)를 추가로 포함해야 하며, 자기장 벡터의 전체 3-D 성분을 검출하기 위해서는 다른 수직 방향의 홀 요소를 추가해야 합니다.

솔리드 스테이트

홀 센서 IC는 솔리드 스테이트 장치이기 때문에 기계적 마모가 잘 되지 않습니다. 따라서 기계식 센서보다 훨씬 빠른 속도로 작동할 수 있으며 수명은 기계적 고장(전위계, 전기 기계식 리드 스위치,[10] 릴레이 또는 기타 기계식 스위치 및 센서와 달리)에 의해 제한되지 않습니다. 그러나 홀 센서는 환경 조건의 변화로 인해 열 드리프트가 발생하기 쉽고, 센서의 수명 동안 시간 드리프트가 발생할 수 있습니다.[11]

홀 효과 장치(적절하게 포장된 경우)는 먼지, 먼지, 진흙, 물에 노출되지 않습니다. 이러한 특성으로 인해 홀 효과 장치는 광학 및 전기 기계 감지와 같은 대체 수단보다 위치 감지에 더 적합합니다.

대역폭

실용적인 홀 센서의 대역폭은 수백 킬로헤르츠로 제한되며 상용 실리콘은 일반적으로 10-100 kHz로 제한됩니다. 2016년 기준으로 시장에서 가장 빠른 홀 센서는 대역폭이 1MHz이지만 비표준 반도체를 사용합니다.[12]

외부 필드에 대한 민감도

주변(예: 다른 와이어)에서 나오는 자속은 홀 프로브가 감지하려는 필드를 감소시키거나 향상시켜 결과를 부정확하게 만들 수 있습니다. 홀 센서는 지구의 자기장을 포함하여 떠다니는 자기장을 쉽게 감지할 수 있기 때문에 전자 나침반처럼 잘 작동하지만, 이러한 떠도는 자기장이 작은 자기장의 정확한 측정을 방해할 수 있다는 것을 의미하기도 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 홀 센서는 종종 일종의 자기 차폐와 통합됩니다.

대신 광학 위치 인코더(예: 절대 및 증분 인코더)를 사용하여 홀 효과 없이 전자기 시스템 내의 기계적 위치를 측정하고 변압기에 삽입된 금속 코어의 양을 이동하여 전압을 유도할 수 있습니다. 홀이 광에 민감한 방법과 비교될 때, 홀과 절대적인 위치를 얻기가 더 어렵습니다.

디퍼렌셜 홀 센서

단일 홀 소자가 외부 자기장에 취약한 반면, 두 홀 소자의 차동 구성은 일반 모드 전압 신호가 차동 신호를 사용하여 취소되는 것과 유사하게 측정에서 [13]벗어난 스트레이 필드를 취소할 수 있습니다.

자재

홀 효과 센서에 특히 적합한 재료는 다음과 같습니다.[14]

적용들

그림 2: 이 공압 실린더의 자기 피스톤(1)이 완전히 젖히거나 늘어날 때 외벽에 장착된 홀 효과 센서(2 및 3)가 작동합니다.
홀 효과 센서가 장착된 엔진 팬

홀 효과 센서는 회전 속도 센서(자전거 바퀴, 기어-치아, 자동차 속도계, 전자식 점화 시스템), 유체 흐름 센서, 전류 센서, 압력 센서 등 다양한 센서에 사용될 수 있습니다. 홀 센서는 일반적으로 내연 기관 점화 타이밍, 타코미터 및 잠금 방지 제동 시스템과 같이 휠과 샤프트의 속도를 측정하는 데 사용됩니다(예: 그림 1).

기계식 스위치 또는 전위차계에 대한 강력하고 비접촉식인 대안이 필요한 경우에는 일반적인 응용이 종종 발견됩니다. 여기에는 전기 에어 소프트 건, 전기 공압 페인트볼 건의 트리거, 고카트 속도 제어, 스마트폰 및 일부 글로벌 포지셔닝 시스템이 포함됩니다.

위치감지

바이너리 스위치로 사용되는 홀 센서의 가장 일반적인 산업적 응용 중 하나는 위치 감지(예: 그림 2)입니다.

홀 효과 센서는 스마트폰의 덮개(작은 자석 포함)가 닫혔는지 여부를 감지하는 데 사용됩니다.[15]

일부 컴퓨터 프린터는 홀 센서를 사용하여 누락된 용지를 감지하고 덮개를 열고, 일부 3D 프린터는 필라멘트 두께를 측정하는 데 사용합니다.

홀 센서는 연료 탱크의 부유 요소의 위치를 감지하여 일부 자동차 연료 수준 표시기에 사용됩니다.[16]

자화된 표시기 바늘이 있는 기계식 게이지에 부착된 홀 센서는 기계식 표시기 바늘의 물리적 위치 또는 방향을 전자식 표시기, 제어 또는 통신 장치에서 사용할 수 있는 전기 신호로 변환할 수 있습니다.[17]

자력계

홀 효과 자력계(테슬라미터 또는 가우스미터라고도 함)는 홀 요소가 있는 홀 프로브를[18] 사용하여 자기장을 측정하거나 자속 누출의 원리를 사용하여 재료(튜브 또는 파이프라인 등)를 검사합니다. 홀 프로브는 보정된 홀 효과 센서를 사용하여 자기장의 세기를 직접 측정하는 장치입니다. 자기장은 크기뿐만 아니라 방향도 있기 때문에 홀 프로브의 결과는 프로브의 방향과 위치에 따라 달라집니다.

전류계

홀 센서는 전류 변압기에서 직류 전류의 비접촉 측정에 사용될 수 있습니다. 이러한 경우 홀 센서는 전류 도체 주변의 자기 코어의 틈새에 장착됩니다.[19] 그 결과, DC 자속을 측정할 수 있고, 도체 내의 DC 전류를 계산할 수 있습니다.

내부 집적 회로 앰프가 있는 홀 효과 전류 센서. 8mm 개구. 영 전류 출력 전압은 4~8V 차동을 유지하는 공급 전압의 중간에 있습니다. 0이 아닌 전류 응답은 공급된 전압에 비례하며 이 특정(25A) 장치의 경우 60암페어에 선형입니다.

전도체에 전자가 흐르면 자기장이 생성됩니다. 따라서 비접촉 전류 센서나 전류계를 만들 수 있습니다. 이 장치에는 3개의 단자가 있습니다. 센서 전압이 두 단자에 걸쳐 인가되고 세 번째 단자는 감지되는 전류에 비례하는 전압을 제공합니다. 이는 기본 회로에 추가 저항(단락, 가장 일반적인 전류 감지 방법에 필요)을 삽입할 필요가 없다는 몇 가지 이점을 가지고 있습니다. 또한 감지되는 라인에 존재하는 전압이 센서로 전달되지 않아 측정 장비의 안전성을 높였습니다.

페라이트 링에 혼입된 홀 효과 전류 변환기의 다이어그램
다중 '회전' 및 해당 전송 기능

신호 대 잡음 개선

홀 센서를 페라이트 링(그림)에 통합하면 페라이트 링을 따라 센서를 통해 전류 자기장의 플럭스 밀도가 집중됩니다(플럭스가 공기를 통해 흐르는 것보다 페라이트를 통해 훨씬 더 잘 흐르기 때문에).[20] 이는 스트레이 필드의 상대적 영향력을 100배 이상 크게 감소시킵니다. 이 구성은 또한 신호 대 잡음비와 드리프트 효과가 베어 홀 장치보다 20배 이상 향상되었습니다.

주어진 피드스루 센서의 범위는 적절한 배선에 의해 상하로 확장될 수도 있습니다. 낮은 전류로 범위를 확장하기 위해 전류가 흐르는 와이어를 개구부를 통해 여러 번 회전하여 센서가 동일한 양을 출력할 수 있습니다. 센서를 인쇄 회로 기판에 설치하면 기판의 스테이플에 의해 회전을 수행할 수 있습니다. 더 높은 전류로 범위를 확장하기 위해 전류 분배기를 사용할 수 있습니다. 분배기는 폭이 다른 두 개의 와이어에 걸쳐 전류를 분배하고 전체 전류의 작은 비율을 전달하는 얇은 와이어가 센서를 통과합니다.

전류 클램프

주 기사: 전류 클램프

링 센서의 변형은 장치를 임시 테스트 장비에 사용할 수 있도록 라인에 고정되는 스플릿 센서를 사용합니다. 영구 설치에 사용할 경우 분할 센서를 통해 기존 회로를 해체하지 않고도 전류를 테스트할 수 있습니다.

출력은 인가된 자기장과 인가된 센서 전압 모두에 비례합니다. 솔레노이드에 의해 자기장이 인가되는 경우 센서 출력은 솔레노이드와 센서 전압을 통한 전류의 곱에 비례합니다. 계산이 필요한 대부분의 응용 프로그램이 현재 소형 디지털 컴퓨터에 의해 수행되기 때문에, 나머지 유용한 응용 프로그램은 전류 감지와 전압 감지를 하나의 홀 효과 장치에서 결합하는 전력 감지에 있습니다.

부하에 제공되는 전류를 감지하고 장치의 인가 전압을 센서 전압으로 사용하여 장치에서 방출되는 전력을 측정하여 와트미터를 형성할 수 있습니다.

모션센싱

모션 감지 및 모션 제한 스위치에 사용되는 홀 효과 장치는 극한 환경에서 향상된 신뢰성을 제공할 수 있습니다. 센서나 자석 내에 움직이는 부품이 없기 때문에 기존의 전기 기계식 스위치에 비해 일반적인 수명이 향상됩니다. 추가적으로, 센서와 자석은 적절한 보호 재료로 캡슐화될 수 있습니다.

점화시기

일반적으로 점화 시기용 분배기(및 일부 유형의 크랭크 및 캠축 위치 센서에서 분사 펄스 타이밍, 속도 감지 등)에 사용되는 홀 효과 센서는 이전 자동차 애플리케이션에서 사용된 기계적 차단기 포인트를 직접 대체하는 용도로 사용됩니다. 다양한 배전기 유형에서 점화 타이밍 장치로 사용되는 용도는 다음과 같습니다. 고정식 영구 자석과 반도체 홀 효과 칩이 에어 갭에 의해 분리된 옆에 장착되어 홀 효과 센서를 형성합니다.

윈도우 및/또는 탭으로 구성된 금속 로터는 샤프트에 장착되어 샤프트 회전 중에 윈도우 및/또는 탭이 영구 자석과 반도체 홀 칩 사이의 공극을 통과하도록 배열됩니다. 이는 탭 또는 윈도우가 홀 센서를 통과하는지 여부에 따라 홀 칩을 영구 자석의 필드에 효과적으로 보호하고 노출시킵니다. 점화 타이밍을 위해 금속 로터에는 엔진 실린더 수와 일치하는 동일한 크기의 탭 및/또는 윈도우가 여러 개 있습니다(엔진 컨트롤 유닛이 식별하기 위해 #1 실린더 탭은 항상 고유합니다).

이는 차폐와 노출 시간이 동일하기 때문에 구형파와 유사한 균일한 출력을 생성합니다. 이 신호는 엔진 컴퓨터나 ECU에서 점화 타이밍을 제어하는 데 사용됩니다.

잠금방지제동

휠 회전 감지는 특히 잠금 방지 제동 시스템에서 유용합니다. 이러한 시스템의 원리는 안티-스키드 기능 이상을 제공하도록 확장되고 정교화되어 이제는 차량 핸들링 기능이 향상되었습니다.

브러시리스 모터

브러시리스 DC 전기 모터의 일부 유형은 홀 효과 센서를 사용하여 로터의 위치를 감지하고 모터 컨트롤러에 정보를 제공합니다. 이를 통해 보다 정밀한 모터 제어가 가능합니다. 3 또는 4핀 브러시리스 DC 모터의 홀 센서는 로터의 위치를 감지하여 트랜지스터를 올바른 순서로 전환합니다.[21]

홀 효과 추진기

주 기사: 홀 효과 추진기

홀 효과 추진기(Hall-Effect Thruster, HET)는 일부 우주선이 궤도에 진입하거나 더 멀리 우주로 나간 후, 그것을 추진하는 데 사용되는 장치입니다. HET에서 원자는 전기장에 의해 이온화되고 가속됩니다. 추진기의 자석에 의해 형성된 방사형 자기장은 전자를 가두는 데 사용되며, 전자는 홀 효과로 인해 궤도를 돌고 전기장을 만듭니다. 중성 추진제가 공급되는 추진기 끝과 전자가 발생하는 부분 사이에 큰 전위가 형성되므로 자기장에 갇힌 전자는 더 낮은 전위로 떨어질 수 없습니다. 따라서 그들은 극도로 에너지가 넘치고, 이것은 그들이 중성 원자를 이온화할 수 있다는 것을 의미합니다. 중성 추진제는 챔버로 펌핑되어 포획된 전자에 의해 이온화됩니다. 그런 다음 양이온과 전자가 준중성 플라즈마로 추진기에서 방출되어 추력을 만듭니다. 생성되는 추력은 매우 작으며 질량 유량이 매우 낮고 유효 배기 속도/비임펄스가 매우 높습니다. 이는 매우 높은 전력 요구 사항의 비용으로 달성되며, 몇 백 밀리 톤의 추력에 대해 4kW 정도입니다.

통합 디지털 전자제품

홀 센서 IC는 종종 디지털 전자 제품을 통합합니다.[22] 이를 통해 센서 특성에 대한 고급 보정(예: 온도 계수 보정), 마이크로프로세서 시스템에 대한 디지털 통신을 가능하게 하며, 입력 진단, 과도 상태에 대한 고장 보호 및 단락/열림 감지를 위한 인터페이스를 제공할 수 있습니다.

일부 홀 센서 IC는 DSP를 통합하여 센서 패키지 내에서 더 많은 처리 기술을 직접 사용할 수 있습니다.[1]: 167

일부 홀 센서 IC는 마이크로 컨트롤러의 I/O 포트에 직접 연결하기 위해 아날로그-디지털 컨버터와 I²C(Inter-integrated circuit communication protocol) IC를 통합합니다.[23]

ESP32 마이크로컨트롤러에는 홀 센서가 내장되어 있어 작동하지 않지만 마이크로컨트롤러의 내부 아날로그-디지털 컨버터가 가상으로 읽을 수 있습니다.[24]

투 와이어 인터페이스

홀 센서는 일반적으로 최소 3개의 핀(전원, 접지 및 출력용)이 필요합니다. 그러나 2선 IC는 전원 및 접지 핀만 사용하고 대신 다른 전류 레벨을 사용하여 데이터를 통신합니다. 배선을 더욱 줄이기 위해 여러 개의 2선 IC가 단일 공급 라인에서 작동할 수 있습니다.[25]

휴먼 인터페이스 장치

컴퓨터 키보드를 위한 홀 효과 스위치는 1960년대 후반 에버렛 A에 의해 개발되었습니다. Honeywell의 Borthmann과 Joseph T. Maupin입니다.[26] 높은 제조 비용으로 인해 이러한 키보드는 종종 항공 우주 및 군사용과 같은 신뢰성이 높은 응용 프로그램을 위해 예약되었습니다. 양산 비용이 감소하면서 소비자 모델을 사용할 수 있는 경우가 늘어나고 있습니다.

홀 효과 센서는 일부 고성능 게이밍 키보드(스틸 시리즈, 우팅, 코르세어와 같은 회사에서 만든 것)에서도 찾아볼 수 있습니다. 자석이 들어 있는 스위치 자체로.[27]

2023년 게임 컨트롤러는 비접촉식, 고해상도, 위치 및 움직임의 저지연 측정 및 기계 부품 부족으로 인한 더 긴 수명으로 인해 경험을 향상시키기 위해 [28]홀 센서, 특히 조이스틱 및 트리거 메커니즘과 함께 출시되었습니다.

홀 효과 감지의 응용 분야도 산업용 응용 분야로 확대되었으며, 현재는 홀 효과 조이스틱을 사용하여 유압 밸브를 제어하고 기존의 기계식 레버를 비접촉식 감지로 대체하고 있습니다. 이러한 응용 분야에는 채굴 트럭, 백회 로더, 크레인, 디거, 가위 리프트 등이 포함됩니다.

듀얼 홀 센서 IC

일부 IC에는 두 개의 홀 요소가 포함되어 있습니다. 이는 선형 또는 회전 인코더를 만들기 위한 일련의 증분(증분 인코더)을 계산하는 데 유용하며, 이를 통해 자석의 이동 또는 회전 배열은 직교 인코딩 패턴으로 감지되는 교대 자기 패턴을 생성합니다.[4] 그런 다음 해당 패턴을 디코딩하여 이동 속도와 방향을 모두 제공하거나 단순히 위아래로 세어 위치나 각도를 결정할 수 있습니다. (Hall 요소를 하나만 사용하면 선형 또는 회전형 인코더의 방향을 확인할 수 없습니다.) 다이 상에서 서로 정확한 거리를 두고 배치된 두 요소는 동일한 방향으로 배향될 수 있으며,[29] 이 경우 자극 대 극 피치는 홀 요소 피치의 2배 이상이어야 합니다.[4] 또는 홀 요소는 90도 방향으로 배치되어 2개의 축에서 감지를 제공할 수 있습니다.[30][31]

참고 항목

참고문헌

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  24. ^ ESP32 기술 참조 매뉴얼 V4.9 2023 개정 기록에서 센서에 대한 언급이 삭제되었습니다. PCN20221202는 다음과 같은 제거 이유를 제시합니다: "ESP32 시리즈 제품 설명서에는 홀 센서가 지원되는 주변기기 중 하나로 나와 있습니다. 하지만 ESP32의 홀 센서가 제대로 작동하지 않습니다. 따라서 ESP32 설명서의 홀 센서에 대한 모든 언급을 제거해야 합니다."
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외부 링크