ผลกระทบฮอลล์

การค้นพบ

ผลกระทบฮอลล์ถูกค้นพบในปี 1879 โดยนายเอ็ดวิน เฮอร์เบิร์ต ฮอลล์ในขณะที่เขากำลังอยู่ระหว่างการศึกษาระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ในเมืองบัลติมอร์ รัฐแมรีแลนด์ เขาทำการวัดผลกระทบเล็ก ๆ ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์ที่เขาใช้ เป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่เกิดขึ้น 18 ปีก่อนการค้นพบอิเล็กตรอนและถูกเผยแพร่ภายใต้ชื่อ "บนกิจกรรมใหม่ของแม่เหล็กที่กระทำบนกระแสไฟฟ้า"

การประยุกต์ใช้งาน

ฮอลล์โพรบจะถูกใช้เป็น Magnetometers ซึ่งเป็นเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กหรือเครื่องมือตรวจสอบวัสดุ (เช่นท่อส่งน้ำมัน) โดยใช้หลักการของการรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็ก
อุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากผลกระทบฮอลล์จะผลิตสัญญาณที่มีระดับต่ำมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณ ในขณะที่มันเหมาะสำหรับเป็นเครื่องมือห้องปฏิบัติการ ตัวขยายสัญญาณที่ใช้หลอดสุญญากาศที่มีพร้อมใช้งานในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 นั้นก็มีราคาแพงมากเกินไป อีกทั้งการบริโภคพลังงานและความไม่น่าเชื่อถือสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน แต่การพัฒนาวงจรรวมต้นทุนต่ำได้ทำให้ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ (อังกฤษ: Hall Effect Sensor) เหมาะสำหรับการนำมาใช้ที่หลากหลาย อุปกรณ์จำนวนมากในขณะนี้ที่ใช้ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ในความเป็นจริงจะประกอบด้วยทั้งเซ็นเซอร์ตามที่อธิบายข้างต้นรวมกับตัวขยายสัญญาณวงจรรวม (IC) เกนสูงในแค่แพคเกจเดียว ความก้าวหน้าล่​​าสุดยังมีการเพิ่มสองวงจรรวมได้แก่วงจรรวมสำหรับตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล และวงจรรวมที่มี I²C (โพรโทคอลการสื่อสารระหว่างวงจรรวม) สำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงไปยังพอร์ต I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์เข้าด้วยกันเป็นแพคเกจเดียว

ข้อได้เปรียบเหนือวิธีการอื่น

อุปกรณ์ผลกระทบฮอลล์ (เมื่ออยู่ในแพคเกจที่เหมาะสม) จะมีภูมิคุ้มกันต่อฝุ่น, สิ่งสกปรก, โคลน, และน้ำ ลักษณะเหล่านี้ทำให้อุปกรณ์ผลกระทบฮอลล์มีความสามารถในการตรวจจับตำแหน่งที่ดีกว่าวิธีการทางเลือกอื่นเช่นการตรวจจับแสงออพติกและไฟฟ้า
เมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านตัวนำ สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้น ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะสร้างเซ็นเซอร์กระแสแบบไร้การสัมผ้ส อุปกรณ์นี้มีขั้วไฟฟ้าสามขั้ว แรงดันไฟฟ้าจะถูกจ่ายคร่อมสองขั้วของเซ็นเซอร์ ขั้วที่สามจะให้แรงดันเอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ตรวจจับได้บนสายไฟนั้น นี้มีข้อดีหลายประการ นั่นคือไม่มีความต้านทานเพิ่มเติม (ต้วต้านทาน"shunt"จะจำเป็นสำหรับวิธีการตรวจจับกระแสที่พบมากที่สุด) ที่จำเป็นต้องใช้เพื่อแทรกมันเข้าไปในวงจรหลัก นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าที่ปรากฏบนสายไฟที่จะทำการตรวจวัดก็จะไม่ถูกส่งไปยังตัวเซ็นเซอร์ ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยของอุปกรณ์วัด

ข้อเสียเมื่อเทียบกับวิธีการอื่น

สนามแม่เหล็กจากสภาพแวดล้อม (เช่นจากสายไฟอื่น) อาจเพิ่มหรือลดสนามที่ Hall probe ตั้งใจที่จะตรวจสอบ ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง นอกจากนั้น เนื่องจากแรงดันฮอลล์มักจะมีค่าเป็นมิลลิโวลต์ เอาต์พุตจากตัวรับรู้ชนิดนี้จึงไม่สามารถนำมาใช้เพื่อขับตัวกระตุ้นให้ทำงานได้โดยตรงแต่จะต้องมีการขยายสัญญาณก่อนโดยวงจรทรานซิสเตอร์
มีหลายวิธีในการตรวจวัดตำแหน่งต่าง ๆ ของชิ้นส่วนต้าง ๆ ที่อยู่ภายในระบบแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรง รวมถึง I) ผลกระทบฮอลล์ II) การตรวจจับแสงด้วยตัวถอดระหัสแบบแสงมืด (อังกฤษ: light-dark position encoder) เช่นจานรหัสสีเทา (อังกฤษ: Gray code disk) และ III) แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำโดยการเคลื่อนที่โลหะหลักที่สอดเข้าไปในหม้อแปลง เมื่อนำฮอลล์มาเปรียบเทียบกับวิธีการที่ไวต่อแสง มันจึงยากกว่าที่จะได้ตำแหน่งที่แน่นอนด้วยการใช้ฮอลล์ การตรวจสอบด้วยฮอลล์จะไวต่อสนามแม่เหล็กที่กระจัดกระจาย

การใช้ในงานร่วมสมัย

ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์พร้อมที่จะนำมาใช้จากหลายผู้ผลิตที่แตกต่างกันและมันอาจจะถูกใช้ในตัวรับรู้อื่นหลายอย่างเช่นตัวรับรู้ความเร็วการหมุน (ล้อจักรยาน, ฟันเกียร์, เครื่องวัดความเร็วยานยนต์, ระบบจุดระเบิดอิเล็กทรอนิกส์), ตัวรับรู้การไหลของของไหล, ตัวรับรู้กระแส, และตัวรับรู้ความดัน การใช้งานทั่วไปจะสามารถพบได้ในงานที่มักจะต้องการความแข็งแกร่งและงานที่ใช้สวิทช์หรือโปเทนฉิโอมิเตอร์แบบไร้สัมผัส เหล่านี้รวมถึง: ปืนอัดลมไฟฟ้า, ไกของปืนเพนท์บอลอัดลม, ต้วควบคุมความเร็วรถโกคาร์ต, โทรศัพท์สมาร์ทโฟน, และจีพีเอสบางตัว

ตัวแปรสัญญาณกระแสจากผลกระทบฮอลล์ด้วยเฟอร์ไรท์รูปห่วงยาง

ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กที่หลงทางเข้ามาได้อย่างง่ายดาย รวมทั้งสนามแม่เหล็กโลกด้วย ดังนั้นพวกมันจึงทำงานเป็นเข็มทิศอิเล็กทรอนิกส์ได้ดี: หมายความว่าสนามแม่เหล็กที่หลงทางเข้ามาดังกล่าวสามารถขัดขวางการวัดอย่างแม่นยำของสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก เพื่อแก้ปัญหานี้ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์จะควบรวมเข้ากับโล่ห์ป้องกันแม่เหล็กบางชนิด ยกตัวอย่างเช่นตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ที่ถูกแปะติดกับวงแหวนเฟอร์ไรท์ (ตามรูป) มันสามารถลดการตรวจจับของสนามที่หลงเข้ามาเป็นหลัก 100 หรือดีกว่า (เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกหักล้างกันทั่ววงแหวนทำให้ไม่มีสนามแม่เหล็กเหลือค้างอยู่) รูปแบบการทำงานแบบนี้ยังช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (อังกฤษ: signal-to-noise ratio) และผลกระทบลอย (อังกฤษ: drift effect) ได้มากกว่า 20 เท่าของที่ได้จากอุปกรณ์ฮอลล์ที่เปลือย ช่วงของการตรวจจับแบบป้อนเข้าอาจถูกขยายให้สูงขึ้นและต่ำลงโดยการเดินสายไฟที่เหมาะสม ในการขยายช่วงเพื่อกระแสที่ต่ำลง ลวดนำกระแสอาจจะถูกพันลอดช่องเปิดหลายรอบ แต่ละรอบจะเพิ่มสัญญาณส่งออกจากตัวรับรู้ในปริมาณที่เท่ากัน เมื่อตัวรับรู้ถูกติดตั้งอยู่บนแผงวงจรพิมพ์ ขดลวดอาจติดตั้งด้วยลวดเย็บกระดาษติดกับแผง ในการขยายช่วงเพื่อกระแสที่สูงขึ้น อาจต้องใช้ตัวแบ่งกระแส (อังกฤษ: current divider) ตัวแบ่งจะแยกกระแสให้ไหลผ่านสายไฟสองเส้นที่มีความกว้างต่างกัน ในสายไฟเส้นที่บางกว่ากระแสจะไหลเป็นสัดส่วนที่เล็กกว่ากระแสทั้งหมด กระแสนี้จะไหลผ่านตัวรับรู้

ตัวรับรู้แบบปากคีบวงแหวนแยก

ตัวรับรู้แบบแหวนแยกที่ติดตั้งอยู่ในปากคีบของแคลมป์มิเตอร์จะรับรุ้การเปลี่ยนแปลงของสนามที่เกิดขึ้นบนสายไฟจึงทำให้อุปกรณ์สามารถถูกนำไปใช้ในการทดสอบอุปกรณ์ได้ ตัวรับรู้แบบปากคีบวงแหวนแยกช่วยให้สามารถทดสอบกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องรื้อวงจรเดิมออก

การคูณแบบแอนะล็อก

เอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับทั้งสนามแม่เหล็กที่ใส่เข้าไปและแรงดันไฟฟ้าของตัวรับรู้ที่ป้อนให้ ถ้าสนามแม่เหล็กถูกใส่เข้าไปโดยขดลวด เอาต์พุตของตัวรับรู้จะเป็นสัดส่วนกับผลคูณของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดกับแรงดันของตัวรับรู้ เนื่องจากงานที่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่จะถูกดำเนินการในขณะนี้โดยดิจิตอลคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก ดังนั้นการประยุกต์ใช้ที่มีประโยชน์ที่เหลืออยู่จึงอยุ่ในการตรวจวัดกำลังไฟฟ้า (P=VI) ซึ่งรวมการตรวจจับกระแสเข้ากับการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าในอุปกรณ์ที่ใช้ผลกระทบฮอลล์เพียงตัวเดียว

การวัดพลังงาน

โดยการตรวจวัดกระแสที่จ่ายให้กับโหลดและการใช้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์เป็นแรงดันไฟฟ้าของตัวรับรู้ มันจึงเป็นไปได้ที่จะหาพลังงานที่กระจายไปในตัวอุปกรณ์

การตรวจหาตำแหน่งและการตรวจจับการเคลื่อนไหว

อุปกรณ์ผลกระทบฮอลล์ที่ใช้ในการตรวจจับการเคลื่อนไหวและตัวสวิทช์จำกัดการเคลื่อนไหวสามารถสร้างความน่าเชื่อถือเพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมที่สุดขั้ว เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวมาเกี่ยวข้องภายในตัวรับรู้หรือแม่เหล็ก อายุขัยโดยทั่วไปของตัวรับรู้จะดีขึ้นเมื่อเทียบกับสวิทช์ไฟฟ้ากลไกแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ตัวรับรู้และแม่เหล็กอาจจะถูกบรรจุอยู่ในวัสดุป้องกันที่เหมาะสมอีกด้วย มันยังถูกนำไปใช้ในมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรง

ระบบจุดระเบิดและระบบฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในรถยนต์

มันมักจะถูกใช้ในจานจ่ายสำหรับตั้งเวลาการจุดระเบิด (และในบางชนิดของตัวรับรู้สำหรับตำแหน่งของข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยวเพื่อตั้งเวลาการฉีดพัลส์, การตรวจจับความเร็วและอื่น ๆ ) ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ถูกนำมาใช้แทนหัวนกกระจอกอย่างที่ใช้ในยานยนต์ก่อนหน้านี้ มันถูกใช้เป็นอุปกรณ์ตั้งเวลาจุดระเบิดในจานจ่ายหลายชนิดดังนี้ สเตเตอร์แม่เหล็กถาวรและชิปสารกึ่งตัวนำผลกระทบฮอลล์จะถูกติดตั้งติดกันแต่คั่นโดยช่องว่างอากาศ ทำตัวเป็นตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ โรเตอร์โลหะที่ประกอบด้วยหน้าต่างและแท็บจะติดตั้งอยู่กับเพลาและถูกจัดวางเพื่อที่ว่าในระหว่างที่เพลาหมุน หน้าต่างและแท็บจะเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างอากาศระหว่างแม่เหล็กถาวรและชิปสารกึ่งตัวนำผลกระทบฮอลล์ นี่เป็นโลห์ป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพและทำให้ชิปฮอลล์เผชิญหน้ากับสนามแม่เหล็กถาวรที่เกี่ยวข้องไม่ว่าจะเป็นแท็บหรือหน้าต่างจะผ่านตัวรับรู้ฮอลล์ สำหรับจุดประสงค์ในการตั้งเวลาจุดระเบิด โรเตอร์โลหะจะมีแท็บและหน้าต่างขนาดเท่ากันที่มีตำนวนเท่ากับจำนวนกระบอกสูบเครื่องยนต์ นี้จะผลิตเอาต์พุตเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมที่สม่ำเสมอเนื่องจากจังหวะเปิด/ปิด (การป้องกันและการเปิดรับ) เท่ากัน สัญญาณนี้จะถูกใช้โดยคอมพิวเตอร์ของเครื่องยนต์หรือ ECU เพื่อควบคุมจังหวะการจุดระเบิด หลายตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์สำหรับยานยนต์มีทรานซิสเตอร์แบบ NPN ฝังอยู่ภายในที่มีคอลเลกเตอร์เปิดและอิมิตเตอร์ลงดิน หมายความว่าแทนที่แรงดันไฟฟ้าที่ถูกผลิตที่ขาเอาต์พุตของตัวรับรู้ฮอลล์ แต่เมื่อทรานซิสเตอร์ ON วงจรจะถูกต่อลงกราวน์ผ่านทางขาเอาต์พุต

การตรวจจับการหมุนของล้อ

การตรวจจับการหมุนของล้อจะมีประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบเบรกป้องกันล้อล็อก หลักการของระบบดังกล่าวได้รับการขยายสมรรถนะออกไปและถูกกลั่นกรองเพื่อที่จะนำเสนอฟังก์ชันที่มากกว่าฟังก์ชันเพื่อป้องกันการลื่นไถลอย่างเดียว ขณะนี้ได้มีการเพิ่มสมรรถนะในการควบคุมยานพาหนะให้ดียิ่งขึ้น

การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า

บางชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงไร้แปรงจะใช้ตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ในการตรวจจับตำแหน่งของโรเตอร์แล้วป้อนข้อมูลนั้นใหกับตัวควบคุมมอเตอร์ นี้จะช่วยให้มีการควบคุมมอเตอร์ที่แม่นยำมากขึ้น

งานอุตสาหกรรม

การนำตัวรับรู้ผลกระทบฮอลล์ไปประยุกต์ใช้มากขึ้นในอุตสาหกรรม ซึ่งตอนนี้ใช้จอยสติ๊กผลกระทบฮอลล์ในการควบคุมวาล์วไฮดรอลิก โดยการแทนที่คันโยกกลแบบดั้งเดิมด้วยการตรวจจับแบบไร้สัมผัส การประยุกต์ดังกล่าวรวมถึงรถบรรทุกการทำเหมืองแร่, รถตัก, รถเครน, รถขุด, รถกระเช้า ฯลฯ

การขับเคลื่อนยานอวกาศ

ตัวผลักดันผลกระทบฮอลล์ (อังกฤษ: Hall effect thruster (HET)) เป็นอุปกรณ์กำลังค่อนข้างต่ำที่ใช้ในการขับเคลื่อนยานอวกาศบางชนิด หลังจากมันเข้าสู่วงโคจรหรือออกไปไกลสู่​​อวกาศ ใน HET อะตอมจะถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนและถูกเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็กเป็นวงกลมจะถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กในรัสเตอร์ สนามนี้จถูกใช้ในการดักจับอิเล็กตรอนที่โคจรและสร้างสนามไฟฟ้าเนื่องจากผลกระทบฮอลล์ ศักย์ไฟฟ้าขนาดใหญ่จะถูกสร้างขึ้นระหว่างปลายของ thruster ซึ่งเป็นจุดที่เชื้อเพลิงสภาพเป็นกลางจะถูกป้อนเข้าไป และเป็นส่วนที่อิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้น; ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกดักจับในสนามแม่เหล็กจะไม่สามารถตกลงไปในจุดมีศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำกว่า พวกมันมีพลังอย่างมากซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถทำให้อะตอมที่เป็นกลางแตกตัวเป็นไอออน เชื้อเพลิงที่เป็นกลางจะถูกสูบเข้าไปในห้องและถูกแตกตัวเป็นไอออนโดยอิเล็กตรอนที่ติดกับดักอยู่ จากนั้นประจุบวกและอิเล็กตรอนจะพุ่งออกมาจาก thruster เป็นพลาสมาแบบกึ่งของกึ่งเป็นกลาง , สร้างแรงผลักดันขึ้นมา