Sensor Efek Hall dan Bagaimana Magnet membuatnya Bekerja

Sensor magnet mengubah informasi yang dikodekan secara magnetik atau magnetis menjadi sinyal listrik untuk diproses oleh rangkaian elektronik, dan dalam tutorial Sensor dan Transduser kami melihat sensor jarak induktif dan LDVT serta aktuator output solenoida dan relai.

Sensor magnetik adalah perangkat solid state yang menjadi semakin populer karena dapat digunakan dalam berbagai jenis aplikasi seperti posisi penginderaan, kecepatan, atau gerakan arah.

Mereka juga merupakan pilihan sensor yang populer untuk perancang elektronik karena operasi bebas-pakai non-kontak mereka, perawatan yang rendah, desain yang kuat dan sebagai perangkat efek ruang tertutup yang kebal terhadap getaran, debu dan air.

Salah satu kegunaan utama sensor magnetis adalah pada sistem otomotif untuk merasakan posisi, jarak, dan kecepatan. Misalnya, posisi sudut poros engkol untuk sudut tembak busi, posisi kursi mobil dan sabuk pengaman untuk kontrol kantong udara atau deteksi kecepatan roda untuk sistem pengereman anti-lock, (ABS).

Sensor magnet dirancang untuk merespons berbagai medan magnet positif dan negatif dalam berbagai aplikasi berbeda dan satu jenis sensor magnet yang sinyal keluarannya adalah fungsi kepadatan medan magnet di sekitarnya yang disebut Sensor Efek Hall.

Sensor Efek Hall adalah perangkat yang diaktifkan oleh medan magnet eksternal. Kita tahu bahwa medan magnet memiliki dua karakteristik penting kepadatan fluks, ( B ) dan polaritas (Kutub Utara dan Selatan).

Sinyal keluaran dari sensor efek Hall adalah fungsi kepadatan medan magnet di sekitar perangkat. Ketika kepadatan fluks magnetik di sekitar sensor melebihi ambang batas yang telah ditetapkan tertentu, sensor mendeteksi dan menghasilkan tegangan output yang disebut Hall Voltage, V_H. Perhatikan diagram di bawah ini.

Prinsip Rangkaian Sensor Efek Hall

Sensor Efek Hall pada dasarnya terdiri dari sepotong tipis bahan semikonduktor tipe-p persegi panjang seperti gallium arsenide (GaAs), indium antimonide (InSb) atau indium arsenide (InAs) yang melewatkan arus kontinu melalui dirinya sendiri.

Ketika perangkat ditempatkan dalam medan magnet, garis fluks magnetik mengerahkan gaya pada bahan semikonduktor yang membelokkan pembawa muatan, elektron dan lubang, ke kedua sisi plat semikonduktor. Gerakan pembawa muatan ini adalah hasil dari gaya magnet yang mereka alami melewati bahan semikonduktor.

Ketika elektron dan lubang ini bergerak ke sisi samping, perbedaan potensial dihasilkan antara kedua sisi bahan semikonduktor dengan penumpukan pembawa muatan ini.

Kemudian pergerakan elektron melalui bahan semikonduktor dipengaruhi oleh adanya medan magnet luar yang berada di sudut kanan ke sana dan efek ini lebih besar dalam bahan berbentuk persegi panjang datar.

Efek menghasilkan tegangan yang dapat diukur dengan menggunakan medan magnet disebut Efek Hall setelah Edwin Hall yang menemukannya kembali pada tahun 1870-an dengan prinsip fisik dasar yang mendasari efek Hall menjadi gaya Lorentz.

Untuk menghasilkan perbedaan potensial di seluruh perangkat, garis fluks magnetis harus tegak lurus, (90°) dengan aliran arus dan dari polaritas yang benar, umumnya kutub selatan.

Efek Hall memberikan informasi mengenai jenis kutub magnet dan besarnya medan magnet. Misalnya, kutub selatan akan menyebabkan perangkat menghasilkan output tegangan sedangkan kutub utara tidak akan berpengaruh.

Secara umum, sensor Efek Hall dan sakelar dirancang untuk berada dalam posisi “OFF”, (kondisi rangkaian terbuka) saat tidak ada medan magnet. Mereka hanya menyalakan “ON”, (kondisi rangkaian tertutup) ketika mengalami medan magnet dengan kekuatan dan polaritas yang cukup.

Tegangan Sensor Efek Hall

Tegangan keluaran, disebut tegangan Hall, ( V_H ) dari Elemen Hall dasar berbanding lurus dengan kekuatan medan magnet yang melewati material semikonduktor (output ∝ H).

Tegangan output ini bisa sangat kecil, hanya beberapa microvolt bahkan ketika mengalami medan magnet yang kuat sehingga sebagian besar perangkat Efek Hall yang tersedia secara komersial diproduksi dengan amplifier DC built-in, rangkaian pengalihan logika, dan pengatur tegangan untuk meningkatkan sensitivitas sensor, histerisis, dan tegangan output. Ini juga memungkinkan sensor efek Hall beroperasi pada kisaran yang lebih luas dari catu daya dan kondisi medan magnet.

Magnetis Sensor Efek Hall

Sensor Efek Hall tersedia dengan output linier atau digital. Sinyal keluaran untuk sensor linier (analog) diambil langsung dari output Op-amp (penguat operasional) dengan tegangan output berbanding lurus dengan medan magnet yang melewati sensor Hall. Tegangan output Hall ini diberikan sebagai:

Dimana:
V_H adalah Tegangan Aula dalam volt
R_H adalah Efek Hall co-efisien
I adalah arus yang mengalir melalui sensor dalam amp
t adalah ketebalan sensor dalam mm
B adalah kerapatan Fluks Magnet dalam Teslas

Sensor linear atau analog menghasilkan output tegangan kontinu yang meningkat dengan medan magnet yang kuat dan berkurang dengan medan magnet yang lemah.

Dalam sensor efek Hall output linear, karena kekuatan medan magnet meningkatkan sinyal output dari amplifier juga akan meningkat hingga mulai jenuh/saturasi oleh batas yang dikenakan padanya oleh catu daya. Setiap penambahan tambahan dalam medan magnet tidak akan berpengaruh pada output tetapi lebih mendorongnya ke saturasi.

Sensor keluaran digital di sisi lain memiliki trigger-Schmitt dengan built in histerisis yang terhubung ke Op-amp. Ketika fluks magnet yang melewati sensor Hall melebihi nilai yang ditentukan sebelumnya, output dari perangkat beralih dengan cepat antara kondisi “OFF” ke kondisi “ON” tanpa jenis kontak yang terpental.

Histerisis internal ini menghilangkan osilasi dari sinyal output saat sensor bergerak masuk dan keluar dari medan magnet. Kemudian sensor output digital hanya memiliki dua status, “ON” dan “OFF”.

Ada dua tipe dasar sensor efek Hall digital, Bipolar dan Unipolar. Sensor Bipolar membutuhkan medan magnet positif (kutub selatan) untuk mengoperasikannya dan medan negatif (kutub utara) untuk melepaskannya sedangkan Sensor Unipolar hanya membutuhkan kutub selatan magnetik tunggal untuk beroperasi dan melepaskannya saat bergerak masuk dan keluar dari bidang magnet.

Sebagian besar perangkat efek Hall tidak dapat langsung mengalihkan beban listrik besar karena kemampuan drive output mereka sangat kecil sekitar 10 hingga 20mA. Untuk beban arus besar, sebuah kolektor terbuka (arus sinking) Transistor NPN ditambahkan ke output.

Transistor ini beroperasi di wilayah jenuh sebagai sakelar wastafel NPN yang menyingkat terminal output ke ground setiap kali kerapatan fluks yang diterapkan lebih tinggi daripada titik pra-setel “ON”.

Perpindahan output Transistor dapat berupa transistor emitor terbuka, konfigurasi transistor kolektor terbuka atau keduanya menyediakan konfigurasi tipe output push-pull yang dapat menenggelamkan cukup banyak arus untuk secara langsung menggerakkan banyak beban, termasuk relai, motor, LED, dan lampu.

Aplikasi Efek Hall

Sensor efek hall diaktifkan oleh medan magnet dan dalam banyak aplikasi perangkat dapat dioperasikan oleh magnet permanen tunggal yang terpasang pada poros atau perangkat yang bergerak. Ada banyak jenis gerakan magnet, seperti “Head-on”, “Sideways”, “Push-pull” atau “Push-push” dll.

Yang mana setiap jenis konfigurasi digunakan, untuk memastikan sensitivitas maksimum, garis-garis fluks magnetik harus selalu tegak lurus terhadap area penginderaan perangkat dan harus dari polaritas yang benar.

Juga untuk memastikan linearitas, diperlukan magnet kekuatan medan tinggi yang menghasilkan perubahan besar dalam kekuatan medan untuk pergerakan yang diperlukan.

Ada beberapa jalur gerakan untuk mendeteksi medan magnet, dan di bawah ini adalah dua konfigurasi penginderaan yang lebih umum menggunakan magnet tunggal: Deteksi Head-on dan Deteksi Sideways.

Deteksi Langsung (Head-on)

Sesuai namanya, “deteksi langsung” mengharuskan medan magnet tegak lurus terhadap perangkat penginderaan efek hall dan untuk deteksi, sensor langsung mendekati sensor ke arah head yang aktif. Semacam pendekatan “langsung”.

Pendekatan Head-on ini menghasilkan sinyal output, V_H yang pada perangkat linear mewakili kekuatan medan magnet, kerapatan fluks magnetis, sebagai fungsi dari jarak jauh dari sensor efek hall. Semakin dekat dan karena itu semakin kuat medan magnet, semakin besar tegangan output dan sebaliknya.

Perangkat linier juga dapat membedakan antara medan magnet positif dan negatif. Perangkat non-linear dapat dibuat untuk memicu output “ON” pada jarak celah udara yang telah ditentukan jauh dari magnet untuk menunjukkan deteksi posisi.

Deteksi Samping (Sideways)

Konfigurasi penginderaan kedua adalah “deteksi samping”. Ini membutuhkan gerakan magnet melintasi permukaan elemen efek Hall dengan gerakan menyamping.

Deteksi sideways atau slide-by berguna untuk mendeteksi keberadaan medan magnet ketika bergerak melintasi permukaan elemen Hall dalam jarak celah udara tetap misalnya, menghitung magnet rotasi atau kecepatan putaran motor.

Bergantung pada posisi medan magnet saat melewati garis pusat medan nol sensor, tegangan output linier yang mewakili output positif dan negatif dapat dihasilkan. Ini memungkinkan deteksi gerakan terarah yang bisa vertikal maupun horizontal.

Ada banyak aplikasi berbeda untuk Sensor Efek Hall terutama sebagai sensor jarak. Mereka dapat digunakan sebagai pengganti sensor optik dan cahaya adalah kondisi lingkungan terdiri dari air, getaran, kotoran atau minyak seperti dalam aplikasi otomotif. Perangkat efek hall juga dapat digunakan untuk arus penginderaan.

Kita tahu dari tutorial sebelumnya bahwa ketika arus melewati konduktor, medan elektromagnetik melingkar dihasilkan di sekitarnya. Dengan menempatkan sensor Hall di sebelah konduktor, arus listrik dari beberapa miliamp ke ribuan ampere dapat diukur dari medan magnet yang dihasilkan tanpa memerlukan transformator dan kumparan yang besar atau mahal.

Selain mendeteksi ada atau tidak adanya magnet dan medan magnet, sensor efek Hall juga dapat digunakan untuk mendeteksi bahan feromagnetik seperti besi dan baja dengan menempatkan magnet “bias” permanen kecil di belakang area aktif perangkat.

Sensor sekarang berada di medan magnet permanen dan statis, dan setiap perubahan atau gangguan pada medan magnet ini dengan memasukkan bahan besi akan terdeteksi dengan sensitivitas serendah mungkin mV/G.

Ada banyak cara berbeda untuk menghubungkan sensor efek Hall ke rangkaian listrik dan elektronik tergantung pada jenis perangkat, apakah digital atau linier. Salah satu contoh yang sangat sederhana dan mudah dibangun adalah menggunakan LED atau Light Emitting Diode seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Detektor Posisi Indikator Efek Hall

Detektor posisi head-on ini akan “OFF” ketika tidak ada medan magnet, (0 gauss). Ketika kutub selatan magnet permanen (gauss positif) bergerak tegak lurus terhadap area aktif sensor efek Hall, perangkat menyalakan “ON” dan menyalakan LED. Setelah diaktifkan “ON” sensor efek Hall tetap “ON”.

Untuk menghidupkan perangkat dan oleh karena itu LED “OFF” medan magnet harus dikurangi hingga di bawah titik rilis untuk sensor unipolar atau terkena kutub utara magnet (gauss negatif) untuk sensor bipolar.

LED dapat diganti dengan transistor daya yang lebih besar jika output Sensor Efek Hall diperlukan untuk mengganti beban arus yang lebih besar.