HALL EFFECT SENSOR

วัตถุประสงค์ : 

1 เพื่อศึกษาคุณสมบัติของ HALL EFFECT SENSOR
2  เพื่อศึกษาการนำ HALL EFFECT SENSOR ไปใช้ในการวัดระยะเชิงมุม

3  เพื่อศึกษาการนำ HALL EFFECT SENSOR ไปใช้ในการวัดระยะเชิงเส้น

บทนำ

ทฤษฎี

ตัวรับรู้ฮอลล์ (Linear Hall sensor)

ตัวรับรู้ฮอลล์เป็นวงจรรวมที่ทำให้เกิดความต่างศักย์ซึ่งเป็นสัดส่วนตรงกับความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ผ่านในแนวดิ่ง เมื่อนำตัวรับรู้ฮอลล์ไปต่อกับโวลต์มิเตอร์ แล้วนำไปวางใกล้บริเวณที่มีสนามแม่เหล็กก็จะทำให้ทราบค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กได้  ตัวรับรู้ฮอลล์สามารถวัดสนามแม่เหล็กในบริเวณใกล้แม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นบริเวณปลายโซเลนอยด์และสนามแม่เหล็กใกล้เส้นลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านได้

ตัวรับรู้ฮอลล์ (Linear Hall sensor)

  

การทำงานของตัวรับรู้ฮอล์

เมื่อนำแม่เหล็กเข้าใกล้ active area ของตัวรับรู้ฮอลล์ ความต่างศักย์จะมีค่าเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับทิศของสนามแม่เหล็ก กล่าวคือถ้านำขั้วใต้เข้าใกล้ ความต่างศักย์จะมีค่าเพิ่มขึ้น แต่ถ้านำขั้วเหนือเข้าใกล้ ความต่างศักย์จะมีค่าลดลง ความต่างศักย์ที่เปลี่ยนไปมีความสัมพันธ์กับความเข้มของสนามแม่เหล็กหรือความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density) ดังนี้ 

เราสามารถวัดสนามแม่เหล็กได้สะดวกและรวดเร็วโดยใช้ตัวรับรู้ฮอลล์ (Linear Hall sensor) ซึ่งทำงานโดยอาศัยหลักการของปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall effect)

Hall Effect                                             

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

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

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

รูปแสดงการเกิดปรากฎการณ์เกิด Hall Effect

ส่วนกรณีที่มีการกลับขั้วแม่เหล็กจะทำให้แรงดันเอาท์พุตกลับขั้วกับกรณีที่กล่าวมา ตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นอิเล็กตรอนได้แก่ ตัวนำไฟฟ้าทั่วไป สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N-Type) ส่วนตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นประจุบวกได้แก่ สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type) ปัจจุบัน Hall Effect จะอยู่ในรูปของวงจรรวมหรือ IC (Integrated Circuit) ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากสารกึ่งตัวนำจะให้แรงดันเอาท์พุตสูงกว่าตัวนำไฟฟ้าทั่วไป

เครื่องมือและอุปกรณ์

รายการ	จำนวน
ชุดการทดลอง Hall Effect Sensor	1
แม่เหล็ก	1
แหล่งจ่ายไฟตรงปรับค่าได้	1
DC Voltmeter	1

ขั้นตอนการทดลอง

1.       ต่อวงจรตามรูปที่ 1 (ห้ามใช้แรงดันเกิน 8 โวลต์ เนื่องจากจะทำให้sensor เสียได้)

  

                                                     รูปที่1 วงจรสำหรับทดลอง

2.      
วางแม่เหล็กตรงจุดศูนย์กลางของวงกลม ในแนวมุม 0 องศา ดังรูปที่2 บันทึกค่าแรงดันoutput ของ sensor

 รูปที่2

3.       หมุนแม่เหล็กไปทีละ 10 องศาพร้อมกับบันทึกค่าแรงดันoutput ของ sensor

4.       พล๊อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมของแม่เหล็กกับแรงดันoutput ของ sensorที่วัดได้

5.       วางแม่เหล็กตรงจุดศูนย์กลางของวงกลมในแนวมุม 90องศา ดังรูปที่3 บันทึกแรงดันoutput ของงsensor

รูปที่3

6.       เลื่อนแม่เหล็กไปทางขวาทีละ 1มิลลิเมตร พร้อมกับบันทึกค่าแรงดันoutput ของ sensor

7.       เลื่อนแม่เหล็กไปทางซ้ายทีละ 1มิลลิเมตร พร้อมกับบันทึกค่าแรงดันoutput ของ sensor

8.       พล๊อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของแม่เหล็กที่เลื่อนไปกับแรงดันoutput ของ sensorที่วัดได้

9.       ลดแรงดันของแหล่งจ่ายไฟตรงลงแล้วสังเกตดูว่าการเปลี่ยนแปลงที่แรงดดันoutput ของ sensor

  

ผลการทดลอง

ตาราง : แสดงค่าแรงดันoutput ของ sensorที่วัดได้จากการหมุนแม่เหล็กไปทีละ 10 องศา

ค่ามุม(องศา)	แรงดันoutput (volt)
0	3.126
10	3.202
20	3.322
30	3.404
40	3.460
50	3.598
60	3.526
70	3.500
80	3.482
90	3.494
100	3.379
110	3.500
120	3.410
130	3.263
140	3.008
150	3.107
160	3.158
170	3.162
180	2.734
190	2.519
200	2.365
210	2.166
220	1.902
230	1.419
240	1.152
250	1.026
260	0.962
270	0.776
280	0.664
290	0.462
300	1.358
310	1.651
320	2.748
330	2.740
340	2.754
350	2.862
360	3.018

  

  

ตาราง : แสดงค่าแรงดันoutput ของ sensorที่วัดได้จากการวางแม่เหล็กตรงจุดศูนย์กลางของวงกลมในแนวมุม 90องศาที่ตำแหน่งระยะห่างจากsensor

ระยะห่างจากsensor (มิลลิเมตร)	แรงดันoutput (volt)
0	3.563
1	3.392
2	3.212
3	3.134
4	3.032
5	2.976
6	2.931
7	2.900
8	2.867
9	2.838
10	2.816

สรุปผลการทดลอง

          จากการทดลองเรื่อง Hall Effect Sensor ทำให้เราทราบถึงคุณสมบัติของ Hall Effect Sensor ที่สามารถวัดค่าความเข้มของฟลักซ์แม่เหล็ก เมื่อความเข้มมีการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมและระยะทาง เมื่อนำแม่เหล็กเข้าใกล้ตัวรับรู้ฮอลล์ ความต่างศักย์จะมีค่าเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับทิศของสนามแม่เหล็ก คือถ้านำขั้วใต้เข้าใกล้ ความต่างศักย์จะมีค่าเพิ่มขึ้น แต่ถ้านำขั้วเหนือเข้าใกล้ ความต่างศักย์จะมีค่าลดลงโดยในการทดลองที่1 เมื่อเราวัดค่าแรงดันจากมุมที่เปลี่ยนแปลงทีละ 10° จะเห็นว่าที่มุม 50° จะมีแรงดันสูงที่สุดเท่ากับ 3.548 volt และที่มุม 290° จะมีแรงดันน้อยที่สุดเท่ากับ 0.462 volt และในการทดลองที่2 เราวัดระยะเชิงเส้นโดยวางแม่เหล็กทำมุม 90° จะเห็นว่าที่ 0 มิลลิเมตร หรือบริเวณที่แม่เหล็กอยู่ใกล้จุดศูนย์กลางมากที่สุดก็จะมีค่าแรงดันสูงที่สุดเท่ากับ 3.563 volt

วิจารณ์ผลการทดลอง

     จากการทดลองที่1และการทดลองที่2 เราสามารถนำผลที่วัดและบันทึกได้มาพล็อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมองแม่เหล็กกับแรงดันเอ้าพุตของsensorที่วัดได้ ซึ่งจากการทดลองอาจมีค่าที่ผิดพลาดหรือคลาดเคลื่อนอันเนื่องมาจากในการวัดค่าแรงดันนั้นค่าที่แสดงบนโวลต์มิเตอร์นั้นไม่หยุดนิ่งผู้ทำการทดลองจึงต้องประมาณค่าเพื่อบันทึกผล ซึ่งผลที่ได้นี้เมื่อนำไปพล็อตกราฟต่อไปจึงทำให้กราฟที่พล็อตได้นั้นอาจจะมีความคลาดเคลื่อนไปเล็กน้อย