디지털 홀 효과 센서: 단극, 전방향, 양극, 래치 스위치 설명

홀 효과 스위치와 래치 이해: 극성, 히스테리시스 및 실용적 응용

홀 효과 소자는 정밀 자기장 비교기입니다. 자기 플럭스 밀도(일반적으로 B-필드라 불림)를 미리 정의된 임계값과 비교하여 이진 결과를 출력합니다. 디지털(온/오프) 홀 센서의 네 가지 주요 범주는 단극 스위치, 양극 스위치, 전방향 스위치, 래치입니다.

각 유형의 전달 함수를 살펴보기 전에, 우리 논의 전체에서 반복되는 주제인 B-필드 극성 개념을 명확히 하는 것이 필수적입니다.

B-필드 극성 정의

홀 센서는 본질적으로 방향성이 있습니다. 감도 축과 정렬된 자기 플럭스 밀도 성분만 감지합니다. 그림 1은 두 가지 일반적인 센서 패키지의 감도 축을 보여줍니다.

그림 1. Texas Instruments 제공.

가해진 자기장이 감도 축을 따라 성분을 생성하면 B-필드는 양성으로 간주됩니다. 반대로 축과 반대 방향의 성분은 음성입니다. 그림 2는 위치 A의 센서가 음성 B-필드를 경험하는 시나리오를 보여줍니다.

그림 2.

센서의 감도 축이 z축과 정렬된다고 가정하면, 자석의 자기장 선(N극에서 시작하여 S극에서 끝남)은 센서에서 음성 B-필드를 생성합니다. 많은 제조업체는 관례를 채택합니다: 자석의 S극이 센서의 브랜드 면(전면)을 향하면 양성 B-필드, N극이면 음성 B-필드입니다. 이 관례는 자석 극이 브랜드 면을 향할 때만 성립하며, 방향을 뒤집으면 무효화됩니다.

대부분의 홀 소자는 단일 축을 따라 감지하는 1차원이지만, 다중 소자 IC는 3축 감도를 제공할 수 있습니다.

단극 스위치

그림 3은 단극 스위치의 작동을 보여줍니다.

그림 3.

임계값인 B_OP(동작점)와 B_RP(해제점)는 양성 B-필드 영역에만 있습니다. 센서는 S극(양성) 자기장에만 반응하며, N극(음성) 자기장은 영향을 주지 않으므로 '단극'이라는 용어가 사용됩니다.

N극 자기장이 가해지고 자기장 강도가 양성 방향으로 증가하면, 가해진 B가 B_OP를 초과할 때까지 센서는 꺼진 상태(로직 하이)를 유지합니다. 그 순간 출력이 로직 로우로 전환됩니다. 이후 자기장이 감소하면 B가 B_RP 아래로 떨어질 때까지 센서는 켜진 상태를 유지하며, 그때 로직 하이로 되돌아갑니다. 이 비대칭 임계값은 히스테리시스를 도입하여 기계적 진동이나 전자기 잡음으로 인한 급격한 출력 변동을 방지합니다(그림 4 참조).

그림 4. 히스테리시스 없이 임계값 주변에서 출력이 불확정적일 수 있음.

히스테리시스 폭은 B_HYS = B_OP – B_RP로 정의됩니다. 센서 내부 회로에 따라 출력의 논리 상태가 반전될 수 있지만 스위칭 동작은 동일합니다.

전방향 스위치

전방향 스위치는 자기장 크기가 임계값을 초과하면 극성에 관계없이 작동합니다. 그림 5는 전달 함수를 보여줍니다.

그림 5.

|B| > B_OP일 때 센서가 켜짐(로직 로우). |B| < B_RP일 때 꺼짐(로직 하이). 양성 및 음성 자기장에 대해 동일한 크기의 B_OP와 B_RP가 적용되어 대칭적 동작을 제공합니다.

홀 효과 래치

그림 6은 래치의 동작을 보여줍니다.

그림 6.

래치는 양성 B_OP와 음성 B_RP를 가집니다. B > B_OP일 때 켜지고 B < B_RP일 때 꺼집니다. 이 임계값 사이(즉, B_RP부터 B_OP까지의 히스테리시스 영역)에서 필드가 0을 통과하더라도 출력은 변경되지 않습니다. 결과적으로 래치는 반대 극성과 충분한 크기의 필드가 가해질 때까지 상태를 '유지'합니다.

래치는 B-필드의 크기와 극성을 모두 감지하므로 링 자석의 극성이 번갈아 나타나는 회전 응용 분야에 이상적입니다(그림 7 참조).

그림 7. Allegro 제공.

래치의 경우 동작점과 해제점은 크기가 같고 부호가 반대입니다(B_OP ≠ –B_RP).

양극 스위치

양극 스위치는 최대 B_OP와 최소 B_RP를 제공하지만 정확한 임계값은 소자마다 다를 수 있습니다. 그림 8은 단일 제조 로트에서 세 가지 샘플 응답을 보여줍니다.

그림 8. Honeywell 제공.

소자 1과 소자 3은 같은 극성의 임계값(둘 다 음성 또는 둘 다 양성)을 가지며, 소자 2는 양성 B_OP와 음성 B_RP를 가진 래치형 응답을 보입니다. Allegro의 '양극 스위치 홀 효과 IC 기초' 노트에 따르면 양극 스위치의 약 10%만이 소자 1이나 3과 유사하며, 대부분은 래치형 동작을 보입니다.

양극 스위치는 래치보다 더 좁은 히스테리시스 대역(B_HYS = B_OP – B_RP)과 더 높은 감도를 제공할 수 있지만, 소자 간 가변성으로 인해 지정된 임계값 범위에서 견고한 동작을 보장하기 위해 신중한 설계가 필요합니다.

더 심층적인 내용을 보려면 전체 기술 문서 모음을 탐색하세요.